一种燃料电池阴极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池阴极材料及其制备方法，燃料电池阴极材料为中空双壳层结构，内层为氧化铈，外层为钴氮碳材料；制备方法包括以下步骤：(1)室温制备球形二氧化硅纳米球硬模板；(2)通过溶剂热的方法将六水合硝酸铈还原包覆到步骤(1)中的二氧化硅纳米球硬模板外表面；(3)将步骤(2)得到的二氧化硅负载氧化铈材料加入水、乙醇、乙二胺、间苯二酚、甲醛、乙酰丙酮钴的混合溶液中，反应结束后在惰性气氛下进行碳化处理，然后在氢氧化钠溶液中去除掉内层二氧化硅纳米球硬模板，得到中空双壳层氧化铈负载钴氮碳材料。与现有技术相比，本发明专利技术阴极材料在燃料电池阴极氧还原过程中表现出优异的性能，有利于工业化生产和应用。有利于工业化生产和应用。有利于工业化生产和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池阴极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料和化学
，具体涉及一种燃料电池阴极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，新能源的发展势不可挡，成为解决未来能源问题的关键。质子交换膜燃料电池作为新能源的主要发展方向之一，其规模化应用的主要阻碍在于其阴极的缓慢动力学过程需要昂贵的铂来催化加速。为了取代贵金属铂，近年来开发了金属
‑
氮
‑
碳催化剂来降低成本，特别是铁
‑
氮
‑
碳和钴
‑
氮
‑
碳材料已经取得了巨大的进展。然而，铁基催化剂容易发生芬顿反应，而芬顿反应会破坏燃料电池元器件，钴基催化剂则容易发生二电子的中间反应生成双氧水，从而导致活性和选择性降低。尽管增加碳的缺陷程度可以提高活性和选择性，但是由于碳的腐蚀，在长期使用方面面临久性不足的问题。如何在活性、选择性和稳定性之间取得平衡，对于燃料电池的大规模应用至关重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种燃料电池阴极材料及其制备方法，兼顾燃料电池阴极材料活性、选择性、稳定性和成本问题。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池阴极材料，为中空双壳层结构，内层为氧化铈，外层为钴氮碳材料。
[0005]优选地，所述的氧化铈厚度为18
‑
24nm，钴氮碳材料厚度为24
‑
30nm。
[0006]进一步优选地，所述的氧化铈厚度为21nm，钴氮碳材料厚度为27nm。
[0007]优选地，所述的燃料电池阴极材料粒径为330
‑
370nm。
[0008]进一步优选地，所述的燃料电池阴极材料粒径为350nm。
[0009]一种上述燃料电池阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](a)室温制备球形二氧化硅纳米球硬模板；
[0011](b)通过溶剂热的方法将六水合硝酸铈还原包覆到步骤(1)中的二氧化硅纳米球硬模板外表面；
[0012](c)将步骤(b)得到的二氧化硅负载氧化铈材料加入水、乙醇、乙二胺、间苯二酚、甲醛、乙酰丙酮钴的混合溶液中，反应结束后在惰性气氛下进行碳化处理，然后在氢氧化钠溶液中去除掉内层二氧化硅纳米球硬模板，得到中空双壳层氧化铈负载钴氮碳材料。
[0013]一种上述燃料电池阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)将二氧化硅纳米球硬模板和六水合硝酸铈在溶剂中混合后置于加热装置加热，离心干燥后得到二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板；
[0015](2)将步骤(1)得到的二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板加入水、乙醇、乙二胺、间苯二酚、甲醛、乙酰丙酮钴的混合溶液中，反应结束后在惰性气氛下进行碳化处理，然后在氢氧化钠溶液中充分刻蚀去除掉内层二氧化硅纳米球硬模板，得到所述的燃料电池阴
极材料，即中空双壳层内层为氧化铈外层为钴氮碳材料。所述的燃料电池阴极材料用于燃料电池阴极氧还原

[0016]优选地，步骤(1)所述的二氧化硅纳米球硬模板的制备方法为：在水、乙醇和氨水的混合溶液中加入正硅酸乙酯，室温下进行搅拌，离心干燥后得到球形二氧化硅纳米球硬模板。
[0017]进一步优选地，所述的干燥温度为50
‑
100℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0018]进一步优选地，所述的正硅酸乙酯、水、乙醇和氨水的体积比为1：(1
‑
50)：(20
‑
50)：(1
‑
5)，反应时间为12
‑
48h。
[0019]优选地，步骤(1)所述的干燥温度为50
‑
100℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0020]优选地，步骤(1)所述的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇和二甲基甲酰胺中的一种或多种。
[0021]优选地，步骤(1)所述的二氧化硅纳米球硬模板的摩尔量、六水合硝酸铈的摩尔量和溶剂的体积之比为1mmol：(0.5
‑
10)mmol：(5
‑
50)ml。
[0022]优选地，步骤(1)所述的加热温度为100
‑
180℃，加热时间为12
‑
24h。
[0023]优选地，步骤(2)将步骤(1)得到的二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板加入水、乙醇、乙二胺、间苯二酚、甲醛、乙酰丙酮钴的混合溶液中，在20
‑
30℃反应12
‑
24h后在惰性气氛下进行碳化处理。
[0024]优选地，步骤(2)所述的水的体积、乙醇的体积、乙二胺的体积、间苯二酚的摩尔量、甲醛的体积、乙酰丙酮钴的摩尔量和二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板的摩尔量之比为1ml：(1
‑
5)ml：(0.001
‑
1)ml：(1
‑
10)mmol：(0.001
‑
1)ml：(1
‑
10)mmol：(10
‑
50)mmol。
[0025]优选地，步骤(2)所述的惰性气氛为氮气、氩气或氦气，碳化处理时，升温速率为1
‑
10℃/min，碳化温度为600
‑
1000℃，碳化时间为1
‑
10h。
[0026]优选地，步骤(2)所述的氢氧化钠溶液的浓度为1
‑
10mol/L，刻蚀时间为12
‑
24h。
[0027]一种燃料电池阴极，采用上述燃料电池阴极材料制得。
[0028]优选地，所述的燃料电池阴极中，燃料电池阴极材料的负载量为0.4
‑
0.6mg/cm
‑2。
[0029]进一步优选地，所述的燃料电池阴极中，燃料电池阴极材料的负载量为0.51mg/cm
‑2。
[0030]一种上述燃料电池阴极的制备方法，包括以下步骤：将所述燃料电池阴极材料分散于异丙醇、水和Nafion的混合溶液中，超声得到分散均匀的墨水，然后取适量墨水滴在玻碳电极头，自然晾干。
[0031]本专利技术采用氧化物作为载体来稳定金属
‑
氮
‑
碳，主要在于单纯的钴
‑
氮
‑
碳材料在反应过程中容易失活，稳定性较差。而在内部引入氧化铈，既能保证外层钴
‑
氮
‑
碳活性位点的暴露，同时也有利于催化剂稳定性能的提升。同时，酚醛树脂已经可以工业化制备，其表面具备大量的含氧官能团可以很好的锚定金属物种，经过碳化处理可以大规模制备金属
‑
氮
‑
碳材料。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0033]1.本专利技术可兼顾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池阴极材料，其特征在于，为中空双壳层结构，内层为氧化铈，外层为钴氮碳材料。2.一种如权利要求1所述的燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将二氧化硅纳米球硬模板和六水合硝酸铈在溶剂中混合后加热，离心干燥后得到二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板；(2)将步骤(1)得到的二氧化铈包覆的二氧化硅纳米球硬模板加入水、乙醇、乙二胺、间苯二酚、甲醛、乙酰丙酮钴的混合溶液中，反应结束后在惰性气氛下进行碳化处理，然后在氢氧化钠溶液中充分刻蚀去除掉内层二氧化硅纳米球硬模板，得到所述的燃料电池阴极材料。3.根据权利要求2所述的燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的二氧化硅纳米球硬模板的制备方法为：在水、乙醇和氨水的混合溶液中加入正硅酸乙酯，室温下进行搅拌，离心干燥后得到球形二氧化硅纳米球硬模板。4.根据权利要求3所述的燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，所述的正硅酸乙酯、水、乙醇和氨水的体积比为1：(1
‑
50)：(20
‑
50)：(1
‑
5)，反应时间为12
‑
48h。5.根据权利要求2所述的燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇和二甲基甲酰胺中的一种或多种。6.根据权利要求2所述的燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的二氧化硅纳米球硬模板的摩尔量、六水合硝酸铈的摩尔量和溶剂的体积之比为1m...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏呵呵，龚学庆，苏紫祥，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：