本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種釕基雙功能燃料電池催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的重要電化學(xué)器件，是推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)熱循環(huán)系統(tǒng)不同，燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率?，F(xiàn)有技術(shù)中燃料電池催化劑通常為鉑基催化劑，但要實(shí)現(xiàn)燃料電池大批量生產(chǎn)和商業(yè)化，必須考慮到鉑的高價格，近幾十年來，人們致力于開發(fā)高性能、穩(wěn)定的電催化劑來替代或減少質(zhì)子交換膜燃料電池中氧還原和氫氧化的鉑基催化劑用量。釕作為具有和鉑相似性質(zhì)的貴重金屬，要比鉑便宜得多，價位只有鉑的10%左右。多功能催化劑是具備同時催化多種反應(yīng)功能的物質(zhì)。該類物質(zhì)一般具有多種催化活性中心，在其作用下，可在一個反應(yīng)過程中完成多步不同類型的催化反應(yīng)。相較于在氫析出和氧析出上的雙功能催化研究，釕用于氫氧化和氧還原的雙功能催化鮮見于報道。因此，開發(fā)高性價比的釕基雙功能燃料電池催化劑對燃料電池實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池里陰極和陽極催化劑不同和雙功能催化劑稀缺的問題。本發(fā)明提供了一種釕基雙功能燃料電池催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的目的之一在于提供一種釕基雙功能燃料電池催化劑的制備方法，所述方法：

4、s1：將葡萄糖水合物溶于去離子水中，超聲，加入nh4cl，繼續(xù)反應(yīng)，得到透明粘稠溶液；

5、s2：向s1的透明粘稠溶液中加入納米mgo，反應(yīng)完成后，干燥，煅燒，得到包裹mgo的多孔含氮碳納米球；

6、s3：研磨s2的包裹mgo的多孔含氮碳納米球，加入h2so4，水熱條件下酸洗去除mgo，洗滌，過濾，干燥，得到含氮球殼狀多孔納米碳材料；

7、s4：將s3所述的含氮球殼狀多孔納米碳材料分散于去離子水和乙醇中，超聲震蕩，得到混合溶液；

8、s5：調(diào)節(jié)s4的混合溶液ph為堿性，加入rucl3溶液，進(jìn)行水熱反應(yīng)，洗滌，過濾，干燥，煅燒，得到釕基雙功能燃料電池催化劑。

9、進(jìn)一步限定，s1中葡萄糖水合物與去離子水的質(zhì)量比為1:1-1.5，葡萄糖水合物與nh4cl的質(zhì)量比為1-2:1。

10、進(jìn)一步限定，s2的納米mgo與s1的葡萄糖水合物質(zhì)量比為2-3:1。

11、進(jìn)一步限定，s2的煅燒條件是在通ar條件下升溫速率為5℃min-1，升溫至800-900℃，煅燒時間為1-2h。

12、進(jìn)一步限定，s3的h2so4濃度為1mol/l。

13、進(jìn)一步限定，s3的水熱反應(yīng)溫度為80-85℃，時間為10-12h。

14、進(jìn)一步限定，s4中含氮球殼狀多孔納米碳材料濃度為0.4-1wt%，乙醇的濃度為15-20wt%。

15、進(jìn)一步限定，s5的ph值為8-9，rucl3溶液濃度為1wt%，水熱反應(yīng)溫度為120-130℃，時間為10-12h，煅燒條件是在通h2條件下升溫速率為5℃min-1，升溫至300-500℃，煅燒時間為1-2h，ru的負(fù)載量為0.4-1wt%。

16、本發(fā)明的目的之二在于提供一種釕基雙功能燃料電池催化劑，所述釕基雙功能燃料電池催化劑由上述制備方法制備而成。

17、本發(fā)明的目的之三在于提供一種上述釕基雙功能燃料電池催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下：

19、（1）本發(fā)明提供的釕基雙功能燃料電池催化劑，有較大的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，有利于燃料電池的實(shí)際傳質(zhì)和應(yīng)用，該催化劑在酸性介質(zhì)下表現(xiàn)出極好的氧還原反應(yīng)和氫氧化反應(yīng)的電催化活性和穩(wěn)定性，組裝成氫氧燃料電池后，本發(fā)明制備的釕基雙功能燃料電池催化劑實(shí)際放電性能可以達(dá)到鉑基催化劑的70%，而且釕的價格只有鉑的10%左右，可以實(shí)現(xiàn)用釕替代鉑，降低燃料電池成本；

20、（2）本發(fā)明制備的釕基雙功能燃料電池催化劑，可以作為燃料電池陰極和陽極的催化劑，具備氧還原和氫氧化雙重特性，且本發(fā)明的制備方法簡單，操作方便，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；

21、（3）本發(fā)明首次使用葡萄糖包裹硬模板納米mgo的方法來制備含氮球殼狀多孔納米碳材料，采用nh4cl作為氮源和前驅(qū)體，利用其在高溫下易揮發(fā)的特點(diǎn)，在碳材料中產(chǎn)生大量的孔結(jié)構(gòu)，同時也能提高材料的摻n含量。利用水熱和高溫還原反應(yīng)將釕附著于含氮球殼狀多孔納米碳材料上，從而形成有多種活性位點(diǎn)的釕基雙功能燃料電池催化劑，通過含氮球殼狀多孔納米碳材料的n、c和負(fù)載釕共同作用，才可以作為燃料電池陰極和陽極的催化劑。

技術(shù)特征：

1.一種釕基雙功能燃料電池催化劑的制備方法，其特征在于，所述方法：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s1中葡萄糖水合物與去離子水的質(zhì)量比為1:1-1.5，葡萄糖水合物與nh4cl的質(zhì)量比為1-2:1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s2的納米mgo與s1的葡萄糖水合物質(zhì)量比為2-3:1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s2的煅燒條件是在通ar條件下升溫速率為5℃min-1，升溫至800-900℃，煅燒時間為1-2h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s3的h2so4濃度為1mol/l。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s3的水熱反應(yīng)溫度為80-85℃，時間為10-12h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s4中含氮球殼狀多孔納米碳材料濃度為0.4-1wt%，乙醇的濃度為15-20wt%。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，s5的ph值為8-9，rucl3溶液濃度為1wt%，水熱反應(yīng)溫度為120-130℃，時間為10-12h，煅燒條件是在通h2條件下升溫速率為5℃min-1，升溫至300-500℃，煅燒時間為1-2h，ru的負(fù)載量為0.4-1wt%。

9.一種釕基雙功能燃料電池催化劑，其特征在于，所述釕基雙功能燃料電池催化劑由權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)制備方法制備而成。

10.權(quán)利要求9所述的釕基雙功能燃料電池催化劑在燃料電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
一種釕基雙功能燃料電池催化劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池里陰極和陽極催化劑不同和雙功能催化劑稀缺的問題。本發(fā)明以葡萄糖為碳源，NH<subgt;4</subgt;Cl為N源，納米MgO為模板，在惰性氣氛下高溫?zé)峤夥磻?yīng)得到包裹MgO的多孔含氮碳納米球，再通過酸洗去除MgO模板，得到多孔球殼狀含氮碳納米材料。本發(fā)明制備的釕基雙功能燃料電池催化劑是將釕負(fù)載于含氮球殼狀多孔納米碳材料上，具有氫氧化和氧還原雙功能，釕基雙功能燃料電池催化劑作為陰、陽極催化劑組裝成氫氧燃料電池后，它的實(shí)際放電性能約為鉑基催化劑的70%，可有效替代鉑催化劑，降低燃料電池成本，有利于工業(yè)化的普及和使用。

技術(shù)研發(fā)人員：臧健,李先文,肖琪,許廣舉,楊輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：常熟理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6