[发明专利]一种碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明将改性炭黑和碳酸钴以一定的配比复合，得到的催化剂形貌均一，均为球形，均一性较好。这种催化剂能够充分发挥碳酸钴对氧还原反应的电催化活性以及碳材料的良好导电性，因此，导电性较优，对氧还原反应的催化活性及催化稳定性均较优。实验表明，本发明提供的碳酸钴‑改性碳复合氧还原反应催化剂的起始电位不低于0.900V vs.RHE，半波电位不低于0.810V vs.RHE。因此，本发明提供的碳酸钴‑改性碳复合氧还原催化剂对催化氧还原有较优的催化性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂、其制备方法及应用。

背景技术

随着工业的迅速发展，人类所面临的能源问题也愈发严峻。燃料电池是一种等温地将化学能转换为电能的装置，与传统内燃机相比，燃料电池不涉及燃烧过程，能够更有效地利用能量。一般来说，燃料电池转换电能的效率是内燃机的两到三倍，由于燃料电池在效率、安全性、可靠性和清洁度等方面都具有传统能源装置无可比拟的优势，对解决目前的能源问题和污染问题有重大意义。因此，燃料电池成为未来实现可持续发展的选择，受到了世界各国研究人员的密切关注。

因为氧气的理论比容是所有正极活性物质中最高的，且氧气来源方便，氧还原反应几乎是所有燃料电池的首选阴极反应。对于燃料电池而言，因为氧还原反应的速率比氢氧化反应速率慢100倍以上，因此制约燃料电池发展的重点在于促进氧还原反应的进行。目前，商用燃料电池大多使用的是贵金属Pt或者是Pt基催化剂，如：20％的Pt/C作为催化剂。但是贵金属Pt储量有限，价格昂贵，不能满足燃料电池的量产化需求。且Pt相关的催化剂稳定性较差，寿命一般，容易中毒，使得开发高活性替Pt非贵金属催化剂势在必行。

目前，非铂基氧还原催化剂主要分为两类，一种是非贵金属氧还原催化剂，一种是掺杂碳材料。非贵金属氧还原催化剂主要是过渡金属中的Mn、Fe、Co、Ni、Cu等的氧化物、氮化物、硒化物、碳化物、磷化物等，除了单金属以外，双金属，三金属也有所报道。掺杂碳材料主要是对各种不同类型的碳材料进行掺杂改性从而提高其氧还原催化活性，如对碳球、碳纳米管、石墨烯等进行O、N、B、S、P等掺杂，使碳材料中碳原子附近位点出现空缺，电荷分布不均匀，成为有利于氧分子吸附和还原的活性中心。然而，上述催化剂对燃料电池中的氧还原反应的催化效果较差，催化稳定性也有待于提高。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂、其制备方法及应用，将本发明提供的催化剂应用于燃料电池中的氧还原反应，催化效果较优，且催化稳定性较优。

本发明提供了一种碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂，以改性炭黑为载体，以碳酸钴为活性组分；

所述改性炭黑与所述碳酸钴的质量比为90％～97％：3％～10％。

本发明还提供了一种碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂的制备方法，包括：

A)将酸液与炭黑混合，经加热回流反应后，得到改性炭黑；所述酸液的浓度为65wt％～68wt％；

B)将所述改性炭黑、钴盐、尿素和水混合，经水热反应，得到碳酸钴-改性碳复合氧还原反应催化剂。

优选的，所述酸液与所述炭黑的用量比为50～100mL：1～2g。

优选的，所述炭黑选自科琴黑EC 600JD、科琴黑EC 300JD或科琴黑Vulcan XC-72中的一种或几种。

优选的，所述加热回流反应的温度为70～90℃；所述加热回流反应的时间为6～10h；

所述水热反应的温度为120～160℃；所述水热反应的时间为9～18h。

优选的，所述加热回流反应后，还包括：将所述加热回流反应后的产物用去离子水抽滤洗涤至中性，然后进行第一次干燥；