[发明专利]一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，提供一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法，对硅基片进行表面处理，在硅片表面覆盖掩膜板，通入碳源、硼源沉积P型纳米金刚石薄膜阵列，对阵列尖锥进行强氧化性酸处理，用氢氟酸将硅基底刻蚀，在氮源、金属混合作用下热处理，获得自支撑的双掺杂三维金刚石基催化剂。选用的氮源为三聚氰胺、氨水等液态氮源，硼源为硼烷气体，碳源为甲烷气体，酸为浓硫酸或浓硝酸，金属为Cu、Co、Ni等，薄膜厚度大于20um，晶粒为纳米晶型，晶粒大小约5nm，沉积的纳米晶型具有高石墨相的特征。该方法制备的催化剂解决了传统催化剂载体在醇类燃料中易氧化、催化剂易出现CO中毒的情况，同时无Pt等贵金属使用，可以节约制造成本。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。

PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：

1） 氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。

2） 氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。

3） 在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70-800C），启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80度，故称为“冷燃烧”。

一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携计算机等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。