[发明专利]一种燃料电池电极催化材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池电极催化材料的制备方法，属于能源材料技术领域。本发明首先将碳纳米管和无水乙醇超声分散后，再加入聚乙烯吡咯烷酮，继续超声分散，制得碳纳米管分散液，再将聚乙烯醇、明胶和水搅拌混合后，静置溶胀，再加热搅拌溶解，随后加入对苯二甲醛，搅拌反应后，静置、过滤和干燥，制得干凝胶，再将所得干凝胶和酸化氯化铁溶液混合，并加入碳纳米管分散液，搅拌混合均匀后，用氨水调节pH后，陈化，制得陈化料，最终将陈化料干燥后无氧煅烧，冷却，即得燃料电池电极催化材料。本发明改善传统燃料电池制作成本高、导电性能不足、氧还原反应慢的缺点，以获取更高综合性能的提高，是其推广与应用，满足工业生产需求亟待解决的问题。

技术领域

本发明公开了一种燃料电池电极催化材料的制备方法，属于能源材料技术领域。

背景技术

氧还原（ORR）在很多的能量转换和储存系统中是很重要的过程，如燃料电池

和金属-空气电池。在燃料电池中阴极发生的氧还原反应涉及多电子、多反应步骤，反应动力学很慢，还没有找到能够在较低过电势下快速实现氧还原的催化剂。Pt/C一直是公认的催化ORR性能最好的催化剂，但是Pt/C的价格非常昂贵，抗甲醇性和稳定性比较差。因此非贵金属催化剂受到广泛关注，特别是以碳作为载体的过渡金属催化剂（Fe和Co）能有效的提高催化剂的性能。但是这些碳材料复合物在相同负载量时ORR起始电位和电流密度都与Pt/C还有一定的差距。海洋生物质资源丰富，成本低，以其为原料合成的碳纳米复合材料作为新的能源材料具有很大的应用价值。该材料结合了碳气凝胶本身大的比表面积、孔丰富、导电性好。同时多孔碳材料可以增加材料与电解液的接触面积，缩短电解液离子的传输距离，提高离子和电荷的传输效率等。通过这种方法制得的碳气凝胶结构中金属（金属氮化物）纳米颗粒分布较均匀，而且在金属纳米粒子的周围包覆一层碳形成“壳核”结构。可以减小金属活性中心在电解质中腐蚀性，提高催化剂材料的稳定性。同时在复合材料中掺入碳纳米管（CNT），其作为一维碳纳米材料导电性好，从而可以提高催化材料的导电性和传质。以海藻酸钠和碳纳米管为原料，与金属离子（Ni²⁺、Co²⁺和Fe³⁺）交换成凝胶，再经干燥高温碳化处理后，制备金属（金属氮化物）碳纳米管气凝胶复合材料（Fe₂N/N-CNTAs,Co/N-CNTAs和Ni/N-CNTAs），并作为燃料电池阴极催化剂测试氧还原（ORR）催化性能。

因此，如何改善传统燃料电池制作成本高、导电性能不足、氧还原反应慢的缺点，以获取更高综合性能的提高，是其推广与应用，满足工业生产需求亟待解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对传统燃料电池制作成本高、导电性能不足、氧还原反应慢的缺点，提供了一种燃料电池电极催化材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

（1）将碳纳米管和无水乙醇按质量比为1：10～1：15混合后，超声分散，再加入无水乙醇质量0.2～0.3倍的聚乙烯吡咯烷酮，继续超声分散，得碳纳米管分散液；

（2）按重量份数计，依次取4～6份聚乙烯醇，8～10份明胶，120～200份水，0.6～0.8份对苯二甲醛，先将聚乙烯醇、明胶和水搅拌混合后，静置溶胀，再经加热搅拌溶解，得混合溶液，随后再加入对苯二甲醛，搅拌反应4～6h后，静置4～6h，过滤，得湿凝胶，再将湿凝胶洗涤和干燥，得干凝胶；

（3）将氯化铁溶液用盐酸调节pH至1.0～1.2，得酸化氯化铁溶液，将干凝胶和酸化氯化铁溶液按质量比为1：100～1：200混合后，超声处理45～60min，再加入氯化铁溶液质量0.3～0.6倍的碳纳米管分散液，搅拌混合均匀后，于恒温搅拌状态下，用氨水调节pH至6.0～6.5，继续恒温搅拌反应45～60min后，静置陈化12～24h，得陈化料；

（4）将陈化料干燥后，无氧煅烧，冷却，出料，即得燃料电池电极催化材料。