本申請(qǐng)涉及電池，特別涉及一種燃料電池催化劑、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氧還原反應(yīng)(orr)是燃料電池中最關(guān)鍵的技術(shù)，但陰極氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常緩慢，因此需要適宜的催化劑來(lái)促進(jìn)該反應(yīng)的進(jìn)行。pt基催化劑由于高昂的成本和有限的資源極大地制約了燃料電池的發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)高效、長(zhǎng)壽命、非pt基的燃料電池催化劑是降低燃料電池成本、推動(dòng)燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2、相關(guān)技術(shù)中，要么是對(duì)納米碳載體進(jìn)行雜原子摻雜改性，要么是引入石墨烯復(fù)合碳材料，但對(duì)納米碳載體進(jìn)行雜原子摻雜改性易存在碳材料與活性金屬納米顆粒接觸不良的問(wèn)題，導(dǎo)致燃料電池催化劑的催化活性較低。而引入石墨烯復(fù)合碳材料則會(huì)造成生產(chǎn)成本較高。因此，有必要提供一種既可以降低生產(chǎn)成本，又可以提高催化活性的燃料電池催化劑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種燃料電池催化劑、制備方法及應(yīng)用，既可以降低生產(chǎn)成本，又可以提高催化活性。所述技術(shù)方案如下：

2、一方面，提供了一種燃料電池催化劑的制備方法，所述制備方法包括：

3、分別配制硝酸鈷的甲醇溶液、硝酸鋅的甲醇溶液以及2-甲基咪唑的甲醇溶液；

4、將所述硝酸鈷的甲醇溶液、所述硝酸鋅的甲醇溶液以及所述2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，靜置、離心、洗滌、烘干后得到金屬-有機(jī)骨架材料；

5、將所述金屬-有機(jī)骨架材料放入管式爐，在惰性保護(hù)氣體氣氛下加熱至600～1000℃，保溫1～4h，自然冷卻至室溫，得到燃料電池催化劑。

6、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述將所述硝酸鈷的甲醇溶液、所述硝酸鋅的甲醇溶液以及所述2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，靜置、離心、洗滌、烘干后得到金屬-有機(jī)骨架材料，包括：

7、將所述硝酸鈷的甲醇溶液與所述2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，攪拌均勻后，得到混合溶液；

8、將所述硝酸鋅的甲醇溶液加入所述混合溶液中，靜置1～12h，將產(chǎn)物離心；

9、離心后，采用甲醇洗滌，烘干后得到所述金屬-有機(jī)骨架材料。

10、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述硝酸鈷的甲醇溶液、所述硝酸鋅的甲醇溶液、所述2-甲基咪唑的甲醇溶液按體積比為1:2:3、2:1:3或者1:1:2混合。

11、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述分別配制硝酸鈷的甲醇溶液、硝酸鋅的甲醇溶液以及2-甲基咪唑的甲醇溶液，包括：

12、在甲醇中加入六水合硝酸鈷，配制0.1～0.5mol/l硝酸鈷的甲醇溶液；

13、在甲醇中加入六水合硝酸鋅，配制0.1～1.0mol/l硝酸鋅的甲醇溶液；

14、在甲醇中加入2-甲基咪唑，配制0.5～2.0mol/l?2-甲基咪唑的甲醇溶液。

15、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述硝酸鈷的甲醇溶液的濃度為0.25mol/l，所述硝酸鋅的甲醇溶液的濃度為0.57mol/l，所述2-甲基咪唑的甲醇溶液的濃度為1mol/l。

16、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述惰性保護(hù)氣體包括氮?dú)?、氬氣、氫氣和氬氣混合氣體中的至少一種。

17、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述惰性保護(hù)氣體的流速為10～20l/min，加熱速率為1～5℃/min。

18、在另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，加熱溫度為900℃，保溫時(shí)間為2h。

19、另一方面，提供了一種燃料電池催化劑，所述燃料電池催化劑采用上述任一項(xiàng)所述的制備方法制得。

20、另一方面，提供了一種燃料電池催化劑在制備電池電極材料中的應(yīng)用。

21、本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種燃料電池催化劑的制備方法，該催化劑由氮摻雜碳納米籠、鈷納米顆粒和碳納米管組成，碳納米管生長(zhǎng)在氮摻雜碳納米籠表面，鈷納米顆粒被包覆在碳納米管和碳納米籠內(nèi)部。其中，氮元素的摻雜打破了碳網(wǎng)電子均勻分布導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)惰性，增加了催化劑材料的催化活性位點(diǎn)，提高了催化活性；鈷納米顆粒與碳材料之間的莫特-肖特基效應(yīng)使電子由金屬材料向碳材料轉(zhuǎn)移，這種不均勻的電子分布使催化劑材料的催化活性進(jìn)一步提高，鈷納米顆粒被包覆在碳材料內(nèi)部也避免了活性金屬納米顆粒與碳材料接觸不良的問(wèn)題。并且，納米籠表面生長(zhǎng)的碳納米管可以提高催化劑材料的比表面積和石墨化程度，納米籠之間可通過(guò)碳納米管構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)相互鏈接改善了材料的導(dǎo)電性，進(jìn)一步提高了催化劑材料的催化活性。另外，該催化劑所采用的材料成本低廉且易得，制備工藝簡(jiǎn)單，因此，本申請(qǐng)所制備的催化劑既具有較低的生產(chǎn)成本，又具有較高的催化活性。

22、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本公開(kāi)。

技術(shù)特征：

1.一種燃料電池催化劑的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述將所述硝酸鈷的甲醇溶液、所述硝酸鋅的甲醇溶液以及所述2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，靜置、離心、洗滌、烘干后得到金屬-有機(jī)骨架材料，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述硝酸鈷的甲醇溶液、所述硝酸鋅的甲醇溶液、所述2-甲基咪唑的甲醇溶液按體積比為1:2:3、2:1:3或者1:1:2混合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述分別配制硝酸鈷的甲醇溶液、硝酸鋅的甲醇溶液以及2-甲基咪唑的甲醇溶液，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述硝酸鈷的甲醇溶液的濃度為0.25mol/l，所述硝酸鋅的甲醇溶液的濃度為0.57mol/l，所述2-甲基咪唑的甲醇溶液的濃度為1mol/l。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性保護(hù)氣體包括氮?dú)?、氬氣、氫氣和氬氣混合氣體中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性保護(hù)氣體的流速為10～20l/min，加熱速率為1～5℃/min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，加熱溫度為900℃，保溫時(shí)間為2h。

9.一種燃料電池催化劑，其特征在于，所述燃料電池催化劑采用權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述的制備方法制得。

10.權(quán)利要求9所述的燃料電池催化劑在制備電池電極材料中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開(kāi)了一種燃料電池催化劑、制備方法及應(yīng)用，屬于電池技術(shù)領(lǐng)域。本申請(qǐng)制備的催化劑由氮摻雜碳納米籠、鈷納米顆粒和碳納米管組成，碳納米管生長(zhǎng)在氮摻雜碳納米籠表面，鈷納米顆粒被包覆在碳納米管和碳納米籠內(nèi)部。氮元素的摻雜增加了催化劑材料的催化活性位點(diǎn)，提高了催化活性；鈷納米顆粒與碳材料之間的莫特?肖特基效應(yīng)使電子由金屬材料向碳材料轉(zhuǎn)移，這種不均勻的電子分布使催化劑材料的催化活性進(jìn)一步提高，鈷納米顆粒被包覆在碳材料內(nèi)部也避免了活性金屬納米顆粒與碳材料接觸不良的問(wèn)題。另外，該催化劑所采用的材料成本低廉且易得，制備工藝簡(jiǎn)單，因此，本申請(qǐng)所制備的催化劑既具有較低的生產(chǎn)成本，又具有較高的催化活性。

技術(shù)研發(fā)人員：朱家明,牛琳,王曉莉,張金祥,黃炤中,楊小磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：奇瑞汽車(chē)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9