一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法与流程

1.本发明属于燃料电池的技术领域，具体的涉及一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.目前大力推广和使用氢能为减少环境污染、解决能源危机提供了一个具有广阔前景的优良途径。氢能的应用技术在逐步发展成熟，氢能的产业链在日益完善，氢能的发展前景也在受到全世界的共同关注。由于燃料电池不用经过卡诺循环，能量损失小，能量利用效率高，且具有绿色清洁等环境友好的优势，因此，燃料电池便成为了合理利用氢能的理想方式。氢能以及燃料电池能够推动经济社会走低碳发展之路，因而受到了世界多国政府持续稳定的重视与支持。
3.燃料电池是利用电化学反应将物质的化学能直接转换成电能。它相对于热机有着更高的能量转化效率。此外，当以氢作为燃料时，由于其在能量转换的过程中，生成产物主要是水，不会产生含氮和硫的氧化物等造成环境污染，因而被视为一种清洁的发电系统。燃料电池因其具有诸多的优良特性而被认为在军用、民用等领域展现出广阔的前景。
4.目前燃料电池所选用的非铂催化剂，包括碳基过渡金属硫化物、碳化物、氮化物、碳氮化合物、氧化物和氮氧化合物等，但其orr活性和催化稳定性与传统pt基催化剂仍有一定的差距。而且现有非贵金属催化剂的制备工艺步骤繁复，因变量因素过多，其反应条件难以控制，进而影响所制得的非金属催化剂的催化活性和稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法。该制备方法合成步骤简单，仅需一步还原便可得到催化剂，反应参数可控性强，易于实现工业化生产推广。
6.本发明的技术方案为：一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)制备水凝胶：首先将氧化石墨烯、氯化钴和钴氰化钾溶解于去离子水中混合均匀，得到混合溶液；然后将所得混合溶液在50℃下静置，得到黑色的水凝胶；
8.(2)制备氧化石墨烯负载四氧化三钴纳米片复合材料：首先配制nabh4水溶液，然后将nabh4水溶液加入至步骤(1)所得水凝胶中恒温反应，得到氧化石墨烯负载四氧化三钴纳米片复合材料。
9.所述步骤(1)中氯化钴与钴氰化钾的摩尔比为2:1。
10.所述步骤(1)中氧化石墨烯为0.1g～10g；去离子水为3～10ml。
11.所述步骤(1)中静置6～24小时。
12.所述步骤(2)中nabh4水溶液的浓度为0.1～10g/ml；用量为80～100ml。
13.所述步骤(2)中恒温反应的温度为60～80℃，恒温反应的时间为3～12h。
14.一种所述制备方法制得的燃料电池用非贵金属催化剂。
15.一种燃料电池，其采用所述制备方法制得的非贵金属催化剂。将得到的氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片分散在乙醇和水中，得到电催化剂分散液，用作燃料电池催化剂。
16.本发明的有益效果为：本发明所述制备方法采用化学还原法得到在氧化石墨烯片上负载四氧化三钴纳米片的混合物，并将其用作燃料电池催化剂。合成步骤简单，仅需一步还原便可得到催化剂，溶胶凝胶结合一步还原，反应参数可控性强，易于实现工业化生产推广。
附图说明
17.图1为实施例1和对比例1制得的电催化剂的sem对比图。
18.图2为实施例1和对比例1制备的电催化剂的lsv扫描对比图。
具体实施方式
19.以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
20.除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
21.实施例1
22.称取5mmol氯化钴、2.5mmol钴氰化钾和3g氧化石墨烯溶于5ml去离子水中，在50℃烘箱静置10h后得到黑色的水凝胶；配制1g/ml的nabh4溶液100ml，倒入上述水凝胶中并在 80℃恒温搅拌6h后得到氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片；将得到的氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片分散在乙醇和水中，得到电催化剂分散液，用作燃料电池催化剂。
23.实施例2
24.称取10mmol氯化钴、5mmol钴氰化钾和4g氧化石墨烯溶于10ml去离子水中，在50℃烘箱静置8h后得到黑色的水凝胶；配制2g/ml的nabh4溶液100ml，倒入上述水凝胶中并在 80℃恒温搅拌10h后得到氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片；将得到的氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片分散在乙醇和水中，得到电催化剂分散液，用作燃料电池催化剂。
25.实施例3
26.称取3mmol氯化钴，1.5mmol钴氰化钾和2g氧化石墨烯溶于3ml去离子水中，在50℃烘箱静置12h后得到黑色的水凝胶；配制1g/ml的nabh4溶液80ml，倒入上述水凝胶中并在 80℃恒温搅拌8h后得到氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片；将得到的氧化石墨烯负载的四氧化三钴纳米片分散在乙醇和水中，得到电催化剂分散液，用作燃料电池催化剂。
27.对比例1
28.称取5mmol氯化钴和3g氧化石墨烯溶于5ml去离子水中；配制1g/ml的nabh4溶液100ml，倒入上述混合溶液中并在80℃恒温搅拌6h后得到氧化石墨烯和四氧化三钴的复合材料；将得到的氧化石墨烯和四氧化三钴的复合材料分散在乙醇和水中，得到电催化剂分散液，用作燃料电池催化剂。
29.由图1可以看出，图1a使用本发明所述制备方法制得的氧化石墨烯负载四氧化三
钴纳米片复合电催化剂具有超薄的片层状形貌。这种超薄的片层结构提供了大的比表面积和丰富的表面活性位点。而图1b中对比例1不经过形成水凝胶的步骤，只能得到机械混合的氧化石墨烯和四氧化三钴颗粒。
30.由图2可以看出，实施例1中制得的材料的半波电位更大，极限电流也更大，表现出更丰富的表面活性位点和更优异的催化活性。


技术特征：
1.一种燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备水凝胶：首先将氧化石墨烯、氯化钴和钴氰化钾溶解于去离子水中混合均匀，得到混合溶液；然后将所得混合溶液在50℃下静置，得到黑色的水凝胶；(2)制备氧化石墨烯负载四氧化三钴纳米片复合材料：首先配制nabh4水溶液，然后将nabh4水溶液加入至步骤(1)所得水凝胶中恒温反应，得到氧化石墨烯负载四氧化三钴纳米片复合材料。2.根据权利要求1所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氯化钴与钴氰化钾的摩尔比为1:2。3.根据权利要求1所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨烯为0.1g～10g；去离子水为3～10ml。4.根据权利要求1所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中静置6～24小时。5.根据权利要求1所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中nabh4水溶液的浓度为0.1～10g/ml；用量为80～100ml。6.根据权利要求1所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中恒温反应的温度为60～80℃，恒温反应的时间为3～12h。7.一种权利要求1-6任一项所述制备方法制得的燃料电池用非贵金属催化剂。8.一种燃料电池，其特征在于，该燃料电池采用如权利要求1所述制备方法制得的非贵金属催化剂。

技术总结
本发明属于燃料电池的技术领域，具体的涉及一种燃料电池用非贵金属催化剂及其制备方法。所述燃料电池用非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)制备水凝胶；(2)制备氧化石墨烯负载四氧化三钴纳米片复合材料。该制备方法合成步骤简单，仅需一步还原便可得到催化剂，反应参数可控性强，易于实现工业化生产推广。广。广。


技术研发人员：陈忠伟 马歌 王新 韦小玲
受保护的技术使用者：先进能源产业研究院（广州）有限公司
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/4/12