一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂及其制备方法与流程

本发明属于氢燃料电池，具体涉及一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、氢气作为一种绿色燃料的直接有效利用越来越受到关注，因为氢气燃烧的唯一产物是水。以氢气为阳极燃料的质子交换膜燃料电池（pemfc）是氢利用技术之一。而目前pemfc仍不能大规模地应用还有诸多因素，其中最关键的重要因素就是贵金属催化剂的稀缺，贵金属铂因其高电催化性能，仍然是目前pemfc使用的主流电催化剂。但稀少的铂含量限制了实际的大规模应用。

2、阴极氧还原（orr）过程是燃料电池技术的核心反应之一，其电催化性能影响着燃料电池整体性能和效率。但是目前无铂贵金属orr电催化剂距离实际应用仍然较远。所以，开发高性能低载量的贵金属铂电催化剂是当下亟需攻关的技术壁垒。当前氢燃料电池主要采用高分散的铂负载于活性炭等碳载体材料上，这就存在着碳载体腐蚀、金属颗粒团聚等问题，也会导致催化剂有效活性表面积降低致使燃料电池的性能衰减，甚至引起电池寿命的提前终结。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂及其制备方法，以解决氢燃料电池在着碳载体腐蚀、金属颗粒团聚和催化剂有效活性表面积降低的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

4、将金属盐加入去离子水中搅拌溶解，得到金属盐溶液；将2-甲基咪唑加入去离子水中搅拌溶解，得到配体溶液；将配体溶液倒入金属盐溶液中，搅拌混合，经过离心分离、洗涤，干燥得到前驱体材料；去离子水的添加量满足金属盐和2-甲基咪唑完全溶解。

5、将前驱体材料置于瓷舟中，在ar/h2混合气氛下进行退火处理，得到一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂。

6、进一步地，金属盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1：2-6。

7、进一步地，所述金属盐包括六水合硝酸锌和六水合氯铂酸，六水合硝酸锌和六水合氯铂酸的摩尔比为4-9：1-0。

8、进一步地，搅拌混合的温度为20-30℃，搅拌混合时间为12-24h，干燥温度为50-70℃。

9、进一步地，ar/h2混合气氛中ar和h2的体积比为3-9：1。

10、进一步地，退火处理温度为650-950℃，退火时长为1-4h。

11、一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂，由上述制备方法制备而成。

12、本发明的有益效果：

13、当前氢燃料电池阴极催化剂主要使用商业pt/c，其采用高分散的铂负载于活性炭等碳载体材料上，这就存在着碳载体腐蚀、金属颗粒团聚等问题，也会导致催化剂有效活性表面积降低致使燃料电池的性能衰减，甚至引起电池寿命的提前终结。相对于常用的商业催化剂，本发明以氮掺杂碳载体作为活性物质载体骨架，不仅具备较大比表面积以担载更多的活性物质颗粒，而且具有良好的导电性、结构稳定性。

14、本发明中在该氮掺杂碳载体上负载贵金属铂，能够有效地降低铂添加量且提高铂利用率。且本发明中催化剂的合成步骤简单，有利于批量化生产以及大规模应用于氢燃料电池之中。

技术特征：

1.一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，金属盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1：2-6。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，所述金属盐包括六水合硝酸锌和六水合氯铂酸，六水合硝酸锌和六水合氯铂酸的摩尔比为4-9：1-0。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，搅拌混合的温度为20-30℃，搅拌混合时间为12-24h，干燥温度为50-70℃。

5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，ar/h2混合气氛中ar和h2的体积比为3-9：1。

6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，退火处理温度为650-950℃，退火时长为1-4h。

7.一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂，其特征在于，由权利要求1-6任意一项所述的制备方法制备而成。

技术总结
本发明公开了一种氢燃料电池的氮掺杂碳氧还原电催化剂及其制备方法，属于氢燃料电池技术领域，制备方法包括如下步骤：将金属盐加入去离子水中搅拌溶解，得到金属盐溶液；将2‑甲基咪唑加入去离子水中搅拌溶解，得到配体溶液；将配体溶液倒入金属盐溶液中，搅拌混合，经过离心分离、洗涤，干燥得到前驱体材料；在Ar/H<subgt;2</subgt;混合气氛下，对前驱体材料进行退火处理。本发明以氮掺杂碳载体作为活性物质载体骨架，不仅具备较大比表面积以担载更多的活性物质颗粒，而且具有良好的导电性、结构稳定性。在该氮掺杂碳载体上负载贵金属铂，能够有效地降低铂添加量且提高铂利用率。

技术研发人员：王建军,杨宜勇,朱琳,王朝云
受保护的技术使用者：安徽明天新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4