一种氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法和应用与流程

本发明属于催化剂材料制备，主要涉及一种氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法和其作为燃料电池正极催化层材料的应用。

背景技术：

1、能源与环境是二十一世纪世界发展的两大主题，高效、清洁利用能源将是二十一世纪发电技术发展的动力和目标。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电方式将成为继火力、水力和核能发电系统之后的第四大发电系统；燃料电池发电具有高效率、低污染、低噪声和高机动性的优点，代表一种高能低耗的清洁能源利用方式，从经济、环境等角度来看都很有应用价值。

2、燃料电池的正极材料作为电池中的关键，其性能的好坏对电池的整体性能至关重要。一般的，正极由催化层、集流体和防水透气层组成，其中催化层主要是提供电解液与空气反应的场所，同时催化层中的催化因子可提升催化层的活性，进而提升电池的放电性能。

3、目前，性能最好的正极催化层材料为pt-c，但是由于pt属于贵金属且价格昂贵，适用性不强。本发明采用co和ce这两种元素作为非贵金属元素，形成的氧化物形态稳定，同时掺杂后晶格形成固溶体，增加了晶格混乱度，产生大量的氧空位，ce的氧化物表面氧空位能捕捉气态氧并转化为活性氧物种，从而提升催化层的活性。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种经济实惠、催化性能高、稳定性好的氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂及其制备方法，以克服现有pt-c催化剂制造价格昂贵，适用性差，其它常规催化剂催化活性低、稳定性差等技术难题。

2、本发明还提供了上述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂作为燃料电池正极催化层材料的应用。

3、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

5、1）将钴化合物与铈化合物按照一定比例放入球磨罐中，利用行星式球磨机球磨为粉体且混合均匀，然后加入溶剂搅拌成均匀的糊状物，再在搅拌状态下加入载体和增强剂；

6、2）将步骤1）所得产物置于60~80℃的恒温水浴槽中，超声搅拌使得糊状物溶液进入载体的孔隙中，结束后室温静置；

7、3）将步骤2）所得产物抽滤，然后于100℃~150℃真空烘箱中烘1-3小时；

8、4）将步骤3）所得块状产物放入球磨机中研磨成粉体；然后放入真空管式炉中在900℃~1000℃下烧结1-3小时，即得。

9、具体的，步骤1）中，所述钴化合物可以为乙酸钴和/或氧化钴等；所述铈化合物可以为乙酸铈和/或氧化铈等。

10、具体的，所述增强剂可以为三聚氰胺等。

11、进一步的，所述溶剂可以采用无水乙醇等。

12、进一步的，所述载体可以为高孔隙率的活性炭、多壁碳纳米管等的一种或多种。

13、进一步优选的，所述步骤1）可以将250~350g钴化合物与100~180g铈化合物利用行星式球磨机球磨为粉体且混合均匀，然后加入适量溶剂搅拌成均匀的糊状物，再在搅拌状态下加入20~66g载体和320~410g增强剂。

14、具体的，在步骤2）中，可以超声搅拌1-2h，结束后室温静置1-3h。

15、具体的，步骤4）中，将步骤3）所得产物研磨成粒度不小于300目的粉体。进一步的，可以将步骤3）的块状产物放入球磨机中研磨成粉体，用超声粉末筛检机进行筛检，筛检出来的细小粉体直接进行下一步，粗大的颗粒进行再次球磨、筛检，保证粉体粒度不小于300目。

16、本发明提供了采用上述方法制备获得的氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂。

17、本发明还提供了上述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂作为燃料电池正极催化层材料的应用。

18、和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、本发明以非贵金属钴（co）和铈（ce）作为基体，不仅节约了成本，而且两者的氧化物形态稳定，晶格形状不易发生变形；增强剂三聚氰胺含有n元素，在高温条件下可以形成c3n4结构，该结构具有优异的化学惰性、较高的比表面积和种类丰富的纳米多级结构，更加速了载体进入溶液，可显著提升催化剂的稳定性；采用高孔隙率的活性炭、多壁碳纳米管作为载体，不仅是因为有良好的多层纳米结构，而且具有良好的导电性，同时可以与金属氧化物结合，金属氧化物也可以附着在表面，可进一步提升催化剂的导电性。本发明催化剂作为燃料电池正极催化层材料的应用时，可显著提高燃料电池的放电性能。

技术特征：

1.一种氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述钴化合物为乙酸钴和/或氧化钴；所述铈化合物为乙酸铈和/或氧化铈。

3.如权利要求2所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述增强剂为三聚氰胺。

4.如权利要求3所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇。

5.如权利要求4所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述载体为活性炭、多壁碳纳米管的一种或多种。

6.如权利要求1所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中，将250~350g钴化合物与100~180g铈化合物利用行星式球磨机球磨为粉体且混合均匀，然后加入适量溶剂搅拌成均匀的糊状物，再在搅拌状态下加入20~66g载体和320~410g增强剂。

7.如权利要求1所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2）中，超声搅拌1-2h，结束后室温静置1-3h。

8.如权利要求1所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤4）中，将步骤3）所得产物研磨成粒度不小于300目的粉体。

9.采用权利要求1至8任一所述方法制备获得的氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂。

10.权利要求9所述氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂作为燃料电池正极催化层材料的应用。

技术总结
本发明涉及一种氮掺杂纳米碳非贵金属催化剂的制备方法：将钴化合物与铈化合物球磨为粉体且混合均匀，然后加入溶剂搅拌成均匀的糊状物，再在搅拌状态下加入载体和增强剂；将步骤1）所得产物置于60~80℃的恒温水浴槽中，超声搅拌，结束后室温静置；将步骤2）所得产物抽滤，然后于100℃~150℃真空烘箱中烘1‑3小时；将步骤3）所得产物研磨成粉体；然后放入真空管式炉中在900℃~1000℃下烧结1‑3小时，即得。本发明催化剂作为燃料电池正极催化层材料的应用时，可显著提高燃料电池的放电性能。

技术研发人员：白啸,王朝阳,王磊,梁智豪,李小丽,王瑞智,翟兆岩,李荣荣
受保护的技术使用者：郑州佛光发电设备股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12