一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池催化剂技术领域，提供一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法，对硅基片进行表面处理，在硅片表面覆盖掩膜板，通入碳源、硼源沉积P型纳米金刚石薄膜阵列，对阵列尖锥进行强氧化性酸处理，用氢氟酸将硅基底刻蚀，在氮源、金属混合作用下热处理，获得自支撑的双掺杂三维金刚石基催化剂。选用的氮源为三聚氰胺、氨水等液态氮源，硼源为硼烷气体，碳源为甲烷气体，酸为浓硫酸或浓硝酸，金属为Cu、Co、Ni等，薄膜厚度大于20um，晶粒为纳米晶型，晶粒大小约5nm，沉积的纳米晶型具有高石墨相的特征。该方法制备的催化剂解决了传统催化剂载体在醇类燃料中易氧化、催化剂易出现CO中毒的情况，同时无Pt等贵金属使用，可以节约制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法
本专利技术属于燃料电池催化剂
，具体涉及一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（WilliamRobertGrove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：1）氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。2）氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。3）在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70-800C），启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80度，故称为“冷燃烧”。一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携计算机等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。PEMFC可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达1.4KW/公斤或1.6KW/升。用作电动自行车、助动车和摩托车动力的PEMFC系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用的PEMFC动力系统的功率一般为10-60KW。公交车的功率则需要100-175KW。PEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义。美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以PEMFC为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久。三是可用作分散型电站。PEMFC电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：（1）可省去电网线路及配电调度控制系统；（2）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可以就近安装，PEMFC发电所产生的热可以进入供热系统），可使燃料总利用率高达80％以上；（3）受战争和自然灾害等的影响比较小；（4）通过天然气、煤气重整制氢，使得可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于广大的农村地区和边远地区），使系统建设成本和运行成本大大降低。因此，PEMFC电站的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。现有技术面临的问题在于：质子交换膜燃料电池的催化剂目前基本为Pt基材料，主要为Pt/Pd、Pt/Ru合金负载在碳载体上，而全球的Pt族金属储量仅为71000吨。Pt的稀缺和高昂的价格严重限制其商业化应用。而且Pt/C层作为阴极催化层，在醇类燃料中易被氧化导致CO中毒，使其无法应用于醇类燃料电池，因此对于非Pt催化剂的研究具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂及制备方法，该方法制备的催化剂解决了传统催化剂载体在醇类燃料中易氧化、催化剂易出现CO中毒的情况，同时无Pt等贵金属使用，可以节约制造成本。本专利技术涉及的具体技术方案如下：一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂制备方法，包括以下步骤:S01：对硅基片进行表面处理，在硅片表面覆盖掩膜板；S02：通入碳源、硼源沉积P型纳米金刚石薄膜阵列；S03：对阵列尖锥进行强氧化性酸处理，用氢氟酸将硅基底刻蚀；S04：在氮源、金属混合作用下热处理，获得自支撑的双掺杂三维金刚石基催化剂。其原理是基于金刚石薄膜基底对于反应气和溶液的抗腐蚀性强，硼掺杂引起表面电荷分布不均，B原子、N原子附近的C原子显正电性，对于醇类燃料具有较强的催化能力，阵列结构可以提高材料的比表面积，从而提高其催化效率。在半导体制造的整个流程中，其中一部分就是从版图到晶圆(wafer)制造中间的一个过程，即光掩膜或称光罩(mask)制造。这一部分是流程衔接的关键部分，是流程中造价最高的一部分，也是限制最小线宽的瓶颈之一。常见的光掩膜的种类有四种，铬版(chrome)、干版，凸版、液体凸版。主要分两个组成部分，基板和不透光材料。基板通常是高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。铬版的不透光层是通过溅射的方法镀在玻璃下方厚约0.1um的铬层。铬的硬度比玻璃略小，虽不易受损但有可能被玻璃所伤害。应用于芯片制造的光掩膜为高敏感度的铬版。干版涂附的乳胶，硬度小且易吸附灰尘，不过干版还有包膜和超微颗粒干版，其中后者可以应用于芯片制造。在本专利技术中使用掩膜板由玻璃基片、铬层、氧化铬层和光刻胶层构成的，用以制作掩模板的玻璃必须内部和两表面都物缺陷。必须于光刻胶的曝光波长下有高的光学透射率。被用来制作掩模板的玻璃有好几种，包括：钠钙玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃。在一些情况下，周围温度的变化导致硅片上图形的定位错误，此时就要求选择硼硅玻璃和石英玻璃。石英圆片是超低膨胀系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤:S01：对硅基片进行表面处理，在硅片表面覆盖掩膜板；S02：通入碳源、硼源沉积P型纳米金刚石薄膜阵列；S03：对阵列尖锥进行强氧化性酸处理，用氢氟酸将硅基底刻蚀；S04：在氮源、金属混合作用下热处理，获得自支撑的双掺杂三维金刚石基催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤:S01：对硅基片进行表面处理，在硅片表面覆盖掩膜板；S02：通入碳源、硼源沉积P型纳米金刚石薄膜阵列；S03：对阵列尖锥进行强氧化性酸处理，用氢氟酸将硅基底刻蚀；S04：在氮源、金属混合作用下热处理，获得自支撑的双掺杂三维金刚石基催化剂。2.根据权利要求1所述一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂制备方法，其特征在于：所述氮源是液态氮源。3.根据权利要求2所述一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂的制备方法，其特征在于：所述液态氮源是三聚氰胺分散液、氨水中的一种或两种的混合。4.根据权利要求1所述一种燃料电池的纳米金刚石基非铂催化剂的制备方法，其特征在于：所述硼源为硼烷气体。5.根据权利要求1所述一种燃料电池的纳米金...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51