用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂、阳极材料及其制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂、阳极材料及其制备方法和燃料电池，用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂采用Co3O4/SnO2；Co3O4/SnO2采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面上，片层状的SnO2相互交织形成3D结构。本发明专利技术的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面，片层状的SnO2相互交织，对Co3O4具有良好的支撑作用，形成3D结构，类似花蕊结构，Co3O4/SnO2的结构既有利于电子的传输，又为电解质提供了更多的反应空间，有利于催化性能的改善。

Anode catalyst, anode material, preparation method and fuel cell for direct borohydride fuel cell

【技术实现步骤摘要】
用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂、阳极材料及其制备方法和燃料电池
本专利技术涉及直接硼氢化物燃料电池领域，特别地，涉及一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂。此外，本专利技术还涉及一种包括上述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的阳极材料及其制备方法和燃料电池。
技术介绍
直接硼氢化物燃料电池(DirectBorohydrideFuelCell，DBFC)是一种使用液态碱金属硼氢化物作为燃料的发电装置。由于碱金属硼氢化物是一种含氢较多且又稳定的含氢负离子物质，硼氢化物化学性质稳定，易于储存供应，使用安全而不易燃，是一种理想的燃料电池。直接硼氢化物燃料电池发展的关键是阳极电催化剂。关于直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的研究，近年来主要有Pt基材料、Au基材料、Pd基材料，及Co基材料等。在研究者不断的深入探索中，DBFC的功率密度得到逐步提升。对阳极催化机理研究较为成熟的贵金属Pt来说，其x值决定于催化剂表面BH4﹣离子的数量和催化点数量的匹配性，提高催化点数量可以降低电化学极化。阳极催化性能的提高对DBFC电池开路电位、功率密度、最高放电电流密度的改善均有促进作用，但BH4﹣的放电效率(燃料利用率)随之降低，即(电氧化)速率-(燃料利用)效率间呈现出一对矛盾体，即催化能力的升高降低了燃料利用率。出现这一矛盾的原因之一为催化剂对BOR和水解具有双重催化作用，电化学氧化速率和水解速率在催化剂的作用下同时增加。西安交通大学的柳永宁等对PdNix-B/CNTs(x＝0,0.3,0.6,0.9)阳极材料的研究表明，PdNi0.9-B/CNTs阳极催化的DBFC具有最高的功率密度(105mW·cm-2)，高出PdNi0.3-B/CNTs的30％，但其放电效率仅为41％，远低于PdNi0.3-B/CNTs的69.1％。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂、阳极材料及其制备方法和燃料电池，以解决现有催化剂的催化效率和燃料利用效率低，催化活性和燃料率之间互相矛盾的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂采用Co3O4/SnO2；Co3O4/SnO2采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面上，片层状的SnO2相互交织形成3D结构。进一步地，Co3O4为球状纳米颗粒；Co3O4的粒径为20nm～50nm。进一步地，SnO2为片层结构；SnO2的片层厚度为5nm～15nm。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种如上述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的制备方法，包括以下步骤：将硼酸、铵盐、酒石酸钾钠、四氧化三钴和硫酸亚锡混合，加水搅拌，获得A溶液；将pH值为12～13的碱溶液与硼氢化钠混合，获得B溶液；将A溶液与B溶液混合，置于水浴中至无气泡产生时反应结束，将反应物过滤得固体粉末，固体粉末经洗涤、干燥，即得用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂。进一步地，硼酸的添加量为30～50质量份，铵盐的添加量为300～500质量份，酒石酸钾钠的添加量为1～1.5质量份，四氧化三钴的添加量为2～2.5质量份，硫酸亚锡的添加量为1～2质量份；水采用蒸馏水或去离子水，水的用量为15～25质量份。进一步地，15～25质量份的碱溶液与1.5～2质量份的硼氢化钠混合；水浴的温度为45℃～55℃。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种直接硼氢化物燃料电池的阳极材料，包括上述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种如上述直接硼氢化物燃料电池的阳极材料的制备方法，包括以下步骤：将用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂与乙炔黑混合，滴加聚四氟乙烯搅拌，获得黑色膏状物；以聚四氟乙烯为粘结剂将黑色膏状物涂抹在泡沫镍上，干燥、辊压成片状，获得直接硼氢化物燃料电池的阳极材料。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种燃料电池，包括上述制备方法制备得到的直接硼氢化物燃料电池的阳极材料，按照阳极级片、隔膜、阴极级片的顺序分别放入燃料电池壳中并固定，获得燃料电池。进一步地，用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂在BH4﹣直接电化学氧化反应中电子转移数大于5。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面，片层状的SnO2相互交织，对Co3O4具有良好的支撑作用，形成3D结构，类似花蕊结构，Co3O4/SnO2的结构既有利于电子的传输，又为电解质提供了更多的反应空间，有利于催化性能的改善。本专利技术的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法，采用简单的化学还原法获得直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂，该过程简单、成本低廉、易重复、适宜大规模制备，且制备的直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的对DBFC开路电位、功率密度、最高放电电流密度和电池比容量的改善均有促进作用。本专利技术的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极材料，包括用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，Co3O4/SnO2不仅改善了阳极催化材料的性能，并进一步提高电氧化过程速率，使更多的硼氢化物参与电氧化，提高了直接硼氢化物燃料电池阳极材料的利用率和放电效率。一方面，Sn的引入增加了Co3O4的导电性，Co3O4颗粒附着在SnO2片层上，有效改善了Co3O4的比表面积从而提供了更多的电化学三相反应区；另一方面，Sn属于高析氢过电位金属，可以有效抑制在碱性溶液中水解产生H2的反应，有效的缓解了水解反应，使得燃料的放电效率大大改善，有效的解决了催化能力与放电效率之间的矛盾。用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化材料为优化和完善DBFC阳极催化材料提供理论依据。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的Co3O4/SnO2的SEM图；图2是本专利技术优选实施例的Co3O4及Co3O4/SnO2的XRD谱图；图3是本专利技术优选实施例的不同溶液时Co3O4的CV曲线示意图；图4是本专利技术优选实施例的不同溶液时Co3O4/SnO2的CV曲线示意图；图5是本专利技术优选实施例的不同阳极催化剂时DBFC的J-V和J-P曲线示意图；以及图6是本专利技术优选实施例的不同阳极催化剂时恒流放电曲线示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。图1是本专利技术优选实施例的Co3O4/SnO2的SEM图；图2是本专利技术优选实施例的Co3O4及Co3O4/SnO2的XRD谱图；图3是本专利技术优选实施例的不同溶液时Co3O4的CV曲线示意图；图4是本专利技术优选实施例的不同溶液时Co3O4/SnO2的CV曲线示意图；图5是本专利技术优选实施例的不同阳极催化剂时DBFC的J-V和J-P曲线示意图；图6是本专利技术优选实施例的不同阳极催化剂时恒流放电曲线示意图。如图1所示，本实施例的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂采用Co3O4/SnO本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，其特征在于，所述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂采用Co3O4/SnO2；所述Co3O4/SnO2采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面上，所述片层状的SnO2相互交织形成3D结构。

【技术特征摘要】
1.一种用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，其特征在于，所述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂采用Co3O4/SnO2；所述Co3O4/SnO2采用颗粒状的Co3O4附着在片层状的SnO2表面上，所述片层状的SnO2相互交织形成3D结构。2.根据权利要求1所述的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，其特征在于，所述Co3O4为球状纳米颗粒；所述Co3O4的粒径为20nm～50nm。3.根据权利要求1所述的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂，其特征在于，所述SnO2为片层结构；所述SnO2的片层厚度为5nm～15nm。4.一种如权利要求1至3任一项所述的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硼酸、铵盐、酒石酸钾钠、四氧化三钴和硫酸亚锡混合，加水搅拌，获得A溶液；将pH值为12～13的碱溶液与硼氢化钠混合，获得B溶液；将所述A溶液与所述B溶液混合，置于水浴中至无气泡产生时反应结束，将反应物过滤得固体粉末，所述固体粉末经洗涤、干燥，即得所述用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂。5.根据权利要求4所述的用于直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的制备方法，其特征在于，所述硼酸的添加量为30～50质量份，所述铵盐的添加量为300～500质量份，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马金福，卢辉，盛之林，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏,64