[发明专利]用于燃料电池空气净化的吸附催化材料及其智能设计方法

说明书

本发明公开了用于燃料电池空气净化的吸附催化材料及其智能设计方法。利用空气净化装置消除进气中大部分的悬浮颗粒物和有害气体，从而显著降低此类物质对PEMFC耐久性和性能的影响。本发明提供的第一种用于燃料电池空气净化的锰基吸附催化材料，包括一层Mn基催化剂层和两层分子筛层，形成三明治夹层结构，具有表面酸性位点和氧化还原位点的双活性中心。本发明提供的第二种用于燃料电池空气净化的锰基吸附催化材料，呈核壳纳米结构，有内至外分为三层；最外层及最内层均为分子筛层。中间层为Mn基催化剂层。本发明提出的锰基吸附催化材料，其能够有效提高对燃料电池进气中的污染物的吸附和传质扩散的效率。

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域。具体涉及一种用于燃料电池空气净化的Mn基吸附催化材料，以及适用于该类型催化材料设计和性能调控的智能制备方法。

背景技术

在燃料电池领域，通过空气净化器的过滤、吸附、催化功能，持续稳定去除进气中的粉尘、氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机物等多种污染物质，使进入燃料电池阴极的空气始终保持清洁，可大幅缓解由空气中的有害物质引起的电动势降低，有助于燃料电池长期保持较高的输出电压。考虑到内燃机汽车尾气中所含的多种污染物广泛存在于机动车道及周边区域的空气中，且车载燃料电池直接从外部环境获取发电所需的氧气，在实际运行过程中，进入燃料电池阴极的空气可能含有低浓度的固体颗粒物、NH3、SO2、O3、NO、NO2、VOCs、甲醛等多种污染物质混合的复合型污染物，因此，空气净化器能够实现污染物高效、稳定去除的关键在于研发对上述多种污染物都具有吸附催化活性，吸附容量大，使用寿命长的高效吸附催化材料。

在低浓度废气净化领域，以铂、钯、铑、银、钌等贵金属为活性组分的贵金属催化剂对大部分空气污染物都具有良好的催化活性，且由于其对NOx、VOCs等物质的催化效率显著而被广泛应用于汽车尾气净化器。但贵金属催化剂成本高，资源有限，无法大规模使用，且在废气中的含硫污染物可能导致催化剂中毒失活，因而贵金属催化剂在成本和使用寿命上并未达到燃料电池空气净化的要求。由高锰酸盐、碱盐、碱性氢氧化物、碱性氧化物等浸渍的改性活性炭、氧化铝、沸石分子筛等吸附材料具备吸附去除多种污染物分子的能力，具有成本低、吸附容量较高，适应性广的特点。然而这类吸附材料无法有效地分解污染物，当达到吸附饱和以后需及时更换滤料，长期使用易造成堵塞和压力损失，未被完全吸附的，以及温度升高时脱附的有害物质会进入燃料电池降低其电动势和工作效率。

专利申请号200480038752.1、专利名称燃料电池用空气的净化方法和装置及燃料电池提供了去除空气中硫化合物的吸附催化材料和过滤网层叠式净化过滤装置，该装置通过去除模拟进气中的硫化合物，使得其浓度在5ppb或以下，防止由硫化合物引起的电动势降低。由于该吸附催化材料只涉及含低浓度SO2的模拟废气，而实际空气中存在粉尘、CO、NOx、VOCs、O3等复合污染物，其是否适用于实际道路环境下的车载燃料电池仍待进一步论证。

专利申请号201910360520.6、专利名称一种新型氢燃料电池空气滤芯公布了包含颗粒物过滤层、吸附净化层、防炭灰过滤层的空气滤芯，并提供了构成所述吸附净化层的碳纳米纤维气凝胶的制备方法，但该方法所提供的该制备过程的详细数据可能建立在操作人员经验或有限的单因素实验的基础上，未充分考察制备过程所涉及的聚丙烯腈溶液浓度、石墨烯添加量、预氧化处理和碳化处理的温度等可能影响碳纳米纤维气凝胶吸附性能的关键制备条件的具体水平及其优化方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃料电池空气净化的Mn基吸附催化材料以及适用于该类型催化材料设计和性能调控的智能制备方法。

本发明提供的第一种用于燃料电池空气净化的锰基吸附催化材料，包括一层Mn基催化剂层和两层分子筛层，形成三明治夹层结构，具有表面酸性位点和氧化还原位点的双活性中心。

作为优选，用于燃料电池空气净化的锰基吸附催化材料中，Mn基催化剂层的负载量为10.5wt％，分子筛层的硅铝比为40，焙烧时间为6.3h，焙烧温度为490℃。