[发明专利]负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球的应用

说明书

本发明公开了一种负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球的应用，所述金属有机框架化合物中空微球用于燃料电池ORR催化剂，用来催化阴极的氧还原反应。所述金属有机框架化合物采用如下制备方法获得，所述制备方法包括：(1)提供聚苯乙烯纳米微球；(2)在聚苯乙烯纳米微球上负载以Fe、Co为金属离子中心的MOF衍生物，即前驱体；(3)对前驱体煅烧进行高温碳化，除去聚苯乙烯纳米微球；(4)对碳化产物进行硫掺杂。该金属有机框架化合物中空微球具有优异的电催化活性，可用作燃料电池ORR电催化剂。其最优极限扩散电流密度为4.1mA/cm^‑2，已接近贵金属催化剂铂碳的理论极限扩散电流密度为6mA/cm^‑2，但成本更低廉。

技术领域

本发明属于金属有机框架化合物(MOF)衍生物的应用技术领域，具体涉及一种负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球的应用，可应用于燃料电池ORR催化剂。

背景技术

燃料电池是一种环境友好的，高效的新型能源，由阳极的燃料氧化和阴极的氧气还原两个半反应组成。氧化反应速率远远大于还原反应速率，因此，提高阴极的氧还原反应速率显得尤为重要。而阴极反应动力学过程极其缓慢，目前商用的Pt催化剂价格昂贵，成为燃料电池大规模使用的瓶颈之一。有研究显示，燃料电池阴极使用的Pt催化剂占了电池成本的约40％。所以，廉价的，低污染的，催化性能可替代Pt的，易于大规模生产的燃料电池阴极氧还原催化剂就显得至关重要。

总之，要得到性能优异的ORR催化剂的关键在于设计并且合成活性位点分散度高、比表面积大的多孔碳材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属有机框架化合物中空微球的应用。

将该负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球制备工艺简单，成本低，且绿色环保，将其用于燃料电池ORR催化剂用来催化阴极的氧还原反应，催化效果优异。

所述金属有机框架化合物采用如下制备方法获得，所述制备方法包括：

(1)提供聚苯乙烯纳米微球；

(2)在聚苯乙烯纳米微球上负载以Fe、Co为金属离子中心的MOF衍生物，即前驱体；

(3)对前驱体煅烧进行高温碳化，除去聚苯乙烯纳米微球；

(4)对碳化产物进行硫掺杂。

进一步的，负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球用于燃料电池ORR催化剂，一种具体实施方式为：

将负载铁钴硫化物的金属有机框架化合物中空微球制作为催化剂浆料，将催化剂浆料制作于燃料电池阴极材料上。

具体来说，催化剂浆料由金属有机框架化合物、粘结剂、分散剂和造孔剂混合制作获得。

在制作催化剂浆料时，粘接剂可采用nafion、PVB、PTFE、PVDF，用量为金属有机框架化合物质量的5％～15％；分散剂可采用一定配比的去离子水和液态醇，例如乙醇、乙二醇、异丙醇等，用量为金属有机框架化合物质量的10％～50％；造孔剂由分散剂中的醇充当。

具体来说，可采用涂覆、热压或辊压的方式，将催化剂浆料制作于燃料电池阴极材料上。

进一步的，所述聚苯乙烯纳米微球采用如下方法合成：

(1a)配制乳化剂的水溶液并置于反应容器内，使乳化剂的水溶液置于惰性氛围中以去除乳化剂中的阻聚剂；

(1b)升温至回流温度，之后在回流状态下向反应容器内滴入引发剂，并反应；

(1c)向反应容器内加入苯乙烯单体与助乳化剂；

(1d)再次升温至回流温度，之后在回流状态下反应，反应完成后冷却至室温；