[发明专利]非贵金属催化材料负载的核壳催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种非贵金属催化材料负载的核壳催化剂、制备方法及其应用，该催化剂包括非贵金属掺杂的碳氮载体催化材料和负载在碳氮载体催化材料表面的核壳颗粒，该催化剂为非贵金属碳氮复合材料负载贵金属的核壳催化剂，具有多种催化活性位，且具有较好的催化活性和优良的电子及气体等物质传导属性和疏水性，成本低，其制备方法能充分利用非贵金属催化剂制备过程中剩余的非贵金属来制备核壳催化颗粒，而且可以节省时间、简化电极制造步骤并且提高催化剂活性和铂的利用率，其特点是所述催化剂具有低铂含量、高铂利用率、低成本、高催化活性和多种催化活性位，且复合催化剂整体具有多孔有序、较好疏水特性以及良好的气体与电子传导特性等优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化材料术领域，更具体地说，是涉及一种非贵金属催化材料负载的核壳催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

能源的生产、供应及消费方式不仅影响着一个经济体的经济发展水平及人民的生活水平，而且还特别关系到地球的环境与气候变迁。有限的化石能源储备尤其是石油天然气煤炭等，与日益增加的能源消费水平之间的矛盾越来越突出。尤其是随着地球人口总量的不断增加，目前高度依赖化石燃料的能源消费方式不仅严重增加了地球的负担，快速消耗了煤炭石油天然气等不可再生资源，而且还给地球的气候与环境带来极其明显的不可逆的负面影响，并加剧了因能源而导致的地区摩擦甚至战争。化石燃料及燃烧等粗糙的能源消费方式不仅导致资源的巨大浪费，还产生大量的二氧化碳及含氮含硫等各种污染物，带来严重的温室效应及酸雨等各种问题。很明显，传统的能源结构及低效的能源消费和利用技术无法实现对珍贵资源的高效与清洁利用，更无法满足和保持一个经济体甚至整个地球的可持续发展。这个问题对人口众多而人均资源却相对缺乏的国家或地区尤其重要。必须开发、推广和使用高效清洁的能源及能源技术才能实现各种能源的精细利用和对环境的保护，并保证国家的能源安全，降低对外部能源的依赖度。

燃料电池(fuel cells)是可以将燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能的装置，能实现各种化学燃料的精细高效利用，尤其是具有环境污染小，低排放甚至零排放，能量转换效率高，启动迅速响应快，应用范围特别广，系统可靠性和维护性高等优点，是最有希望和最有应用前景的能源转换技术之一。

在众多类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)包括直接醇类燃料电池(DAFCs)具有清洁、高效、安全、可移动、操作条件温和低温启动等特点，极具产业化潜力，近年来备受世界各国尤其是发达经济体的重视与欢迎，是发展最迅速和应用范围最广的燃料电池。其核心部件和电池整体性能的关键因素是膜电极组合体，是由固体电解质膜、催化层以及扩散电极等组成，在燃料电池操作中起到催化阴阳两极的电极反应，传导质子与电子等作用，是控制质子交换膜燃料电池性能和寿命以及成本的决定性部件。在典型的质子交换膜燃料电池中，氢气或其他燃料如甲醇、乙醇、乙酸等在阳极被氧化生成质子、电子或/和二氧化碳，质子与电子分别通过固态电解质膜与外部电路传导到阴极，氧气在阴极与质子电子反应被还原生成水和热。这其中电极催化剂是实现快速高效的电极反应的最重要的基础性物质，也是燃料电池中所占成本比例最高的物质。开发低成本高催化活性和稳定性的电极催化剂一直是促进和实现质子交换膜燃料电池产业化的最关键因素之一。

在目前的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，广泛使用包括具有高催化活性和高电势的贵金属(特别是铂)作为主要成分的纳米颗粒作为电极催化剂。一方面作为一种价格昂贵的贵金属，铂是地球储备极稀有的元素，价格极其昂贵，因而铂催化剂的成本高，难以支撑以铂为主体催化剂的燃料电池的大规模应用，尤其是在交通领域的大规模应用；另一方面，铂的催化活性和稳定性也尚有不足之处，例如即使在使用高活性催化剂，氧电化学还原的过电位仍在300毫伏以上，难以进一步提高能源转换效率；而且在长期使用过程中，高分散的纳米铂颗粒往往会长大，催化活性降低，降低燃料电池性能和稳定性。