一种燃料电池阴极用多层碳纳米管催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池阴极用多层碳纳米管催化剂的制备方法，该方法通过光线照射直接加热表面负载有金属单质、金属合金或金属化合物的多层碳纳米管，即可得到多层碳纳米管催化剂，该方法的加热时间较短，耗能较少，可在24小时内，甚至数微秒内完成多层碳纳米管表面缺陷的形成，并且通过该方法制得的催化剂具有接近铂催化剂的催化活性。近铂催化剂的催化活性。近铂催化剂的催化活性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池阴极用多层碳纳米管催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及催化剂领域，具体涉及一种燃料电池阴极用多层碳纳米管催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]一直以来，铂材料作为高分子固态电解质燃料电池的阴极催化剂被使用。然而，尽管铂催化剂具有较高的氧还原催化活性，但由于铂金属非常昂贵且资源量有限，因此导致使用铂催化剂的燃料电池难以被广泛使用。长期以来，研究者希望开发一种不使用铂金属的燃料电池阴极用催化剂。
[0003]目前，作为非铂催化剂的不含金属的碳系材料，碳纳米管(以下称为CNT)受到了广泛关注。多层碳纳米管(以下称为MWCNT)由于具有优越的结构特点，拥有各种各样的催化活性，与单层碳纳米管相比制造工艺更加简单，因此MWCNT作为铂催化剂的替代材料引发了广泛的讨论。
[0004]研究人员发现，具有穿透或不穿透侧壁的孔(即，缺陷)的MWCNT作为燃料电池阴极用催化剂使用时表现出一定的催化活性。然而，制备所述MWCNT催化剂需要进行长时间的高温高压处理，耗时较长(长达几天)，能量消耗较大，无法大规模工业化生产。此外，以该方法制得的MWCNT催化剂具有过多缺陷，催化活性相比铂催化剂较低。
[0005]因此，需要开发一种催化活性较好且制备过程耗时较短的多层碳纳米管催化剂及其制备方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的缺点，提供一种燃料电池阴极用多层碳纳米管催化剂的制备方法，该方法通过光线照射直接加热表面负载有金属单质、金属合金或金属化合物的多层碳纳米管，即可得到多层碳纳米管催化剂，该方法的加热时间较短，耗能较少，可在24小时内，甚至数微秒内完成多层碳纳米管表面缺陷的形成，并且通过该方法制得的催化剂具有接近铂催化剂的催化活性。
[0007]本专利技术的另一目的是提供通过上述制备方法获得的多层碳纳米管催化剂，其具有接近铂催化剂的催化活性。
[0008]本专利技术的又一目的是提供一种包含所述多层碳纳米管催化剂的燃料电池阴极。
[0009]本专利技术的又一目的是提供一种包括所述燃料电池阴极的燃料电池。
[0010]本专利技术的又一目的是提供一种包括所述燃料电池的燃料电池系统。
[0011]为了实现以上目的，本专利技术提供如下技术方案。
[0012]一种多层碳纳米管催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0013]在多层碳纳米管表面负载金属单质、金属合金或金属化合物；
[0014]将表面负载有所述金属单质、金属合金或所述金属化合物的多层碳纳米管在含氧气氛中通过光线照射直接加热以进行氧化处理，从而得到多层碳纳米管催化剂。
[0015]优选地，在使用多层碳纳米管之前，将多层碳纳米管进行预处理，以除去多层碳纳米管中的杂质金属。所述预处理可包括热处理和酸处理。
[0016]优选地，所述金属单质可为钴、铁、钒、锡和镍中的至少一种。
[0017]优选地，所述金属合金包含钴、铁、钒、锡和镍中的至少一种元素。
[0018]所述金属化合物为钴的氧化物、铁的氧化物、钒的氧化物、锡的氧化物、镍的氧化物、钴元素的盐、铁元素的盐、钒元素的盐、锡元素的盐和镍元素的盐中的至少一种。
[0019]优选地，所述金属化合物包括钴的氧化物、铁的氧化物、钒的氧化物、锡的氧化物和镍的氧化物中的至少一种，优选为钴的氧化物。所述金属化合物例如为氧化钴、氧化铁、氧化钒、氧化锡和氧化镍中的至少一种。
[0020]优选地，所述金属化合物包括钴元素的盐、铁元素的盐、钒元素的盐、锡元素的盐和镍元素的盐中的至少一种，优选为钴元素的盐。所述金属化合物优选为金属硝酸盐。所述金属硝酸盐优选为钴的硝酸盐、铁的硝酸盐、钒的硝酸盐、锡的硝酸盐和镍的硝酸盐中的至少一种。优选地，所述金属硝酸盐为硝酸钴、硝酸铁、硝酸钒、硝酸锡和硝酸镍中的至少一种。
[0021]优选地，所述金属单质、金属合金和所述金属化合物以微粒形式负载在多层碳纳米管表面。本专利技术对于多层碳纳米管表面负载的金属单质、金属合金或金属化合物微粒的粒径大小没有特别的限制，只要金属单质、金属合金或金属化合物微粒的粒径小于多层碳纳米管的管径即可。根据条件的不同，金属单质、金属合金或金属化合物微粒的粒径均可为0.5
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15nm，优选0.5
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10nm。在氧化处理后，金属硝酸盐微粒转化为金属氧化物微粒，微粒粒径略有变化，但变化不大。
[0022]所述多层碳纳米管表面的金属元素的负载量可为5
‑
15重量％，优选10
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12重量％。金属元素的负载量过少，促进细孔形成的效果不明显；金属元素的负载量过多，会破坏MWCNT原本的结构。通过对多层碳纳米管表面负载的金属单质、金属合金或金属化合物微粒的粒径和负载量进行控制，可以在多层碳纳米管上形成不同孔径大小、深度、数量或密度的细孔。此外，通过增加金属元素的负载量，能够促进多层碳纳米管上的碳与氧气的反应在与多层碳纳米管的轴向平行的方向上进行，从而实现多层碳纳米管的薄层化。
[0023]本专利技术对于多层碳纳米管表面的金属单质、金属合金或金属化合物微粒的负载方法并没有特别的限制。金属单质、金属合金或金属化合物微粒负载到基材上的方法可以用一般的方法实现。
[0024]例如，负载铁的氧化物的方法包括：将多层碳纳米管加入到甲醇或乙醇等溶剂中，超声分散，然后向混合溶液中加入FeCl3溶液；混合后干燥后得到负载有铁的阳离子的多层碳纳米管，将其在空气或不活泼气氛中加热，得到负载有铁的氧化物的MWCNT。
[0025]例如，负载硝酸钴的方法包括：向硝酸钴和溶剂(例如甲醇或乙醇等)中加入多层碳纳米管，充分分散后干燥，得到负载有Co(NO3)2的多层碳纳米管。优选地，可在干燥后进行研磨碾碎，从而得到负载有Co(NO3)2·
6H2O微粒的多层碳纳米管粉末。
[0026]优选地，所述光线可为红外线、近红外线或可见光。本专利技术的氧化处理过程是细孔(即缺陷)的形成过程。在该过程中，光线照射是必须的。通过光线照射可使多层碳纳米管在氧化处理过程中更易形成目标缺陷而非生成含氧官能团。
[0027]优选地，加热温度可为100
‑
500℃，例如可为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、
150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、400℃、450℃或500℃。更优选地，加热温度可为200
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400℃。反应温度低于100℃时，反应时间长，不实用。反应温度超过500℃时，多层碳纳米管中的碳消失严重，不利于提高所得多层碳纳米管催化剂的催化活性。
[0028]在本专利技术中，可通过同时控制加热时间和含氧气氛中的氧气浓度来控制多层碳纳米管表面缺陷的数量、大小以及深度，从而控制多层碳纳米管催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在多层碳纳米管表面负载金属单质、金属合金或金属化合物；将表面负载有所述金属单质、金属合金或金属化合物的多层碳纳米管在含氧气氛中通过光线照射直接加热以进行氧化处理，从而得到多层碳纳米管催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光线为红外线、近红外线或可见光。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，加热温度为100
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600℃。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含氧气氛中氧气的体积分数为>0且≤50％，加热时间为1μs至24h。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，加热温度为100
‑
400℃，所述含氧气氛中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈九廷，连源，黄天奇，
申请(专利权)人：连源黄天奇，
类型：发明
国别省市：