本发明专利技术涉及燃料电池催化剂及其应用，具体地说是一种碳纳米管复合炭凝胶催化剂在燃料电池中的应用；所述催化剂的前躯体组分为间苯二酚，甲醛，碳纳米管与金属盐组成，其中金属盐包括IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB和IIB族中的一种或一种以上的金属元素的可溶性硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐或卤化物；前躯体中间苯二酚与甲醛摩尔比为2∶1，碳纳米管和间苯二酚的质量为1∶1000～1∶500，间苯二酚与金属盐的摩尔比为5∶1～1500∶1，混合有机凝胶经过500～1200℃氨气环境中碳化氮化制得高活性复合炭凝胶催化剂。本发明专利技术作为一种非金属催化剂用作燃料电池阴极催化剂时，表现出良好氧还原活性和电化学稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池催化剂，具体地说是一种碳纳米管掺杂炭凝胶催化剂及其在质子交换膜燃料电池中的应用。
技术介绍
燃料电池是一种直接将物质的化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池不以热机形式工作，发电过程不受卡诺循环的限制，其中的大部分燃料的化学能可直接转换为电能，能量转化效率可达到40 60%。同时，燃料电池发电过程中几乎不产生二氧化硫、氮氧化物和悬浮物等有害物质，也不放出温室气体二氧化碳，符合当今社会环保理念。同时，燃料电池所需辅助设备少，省去了大量输电线，操作方便可靠、灵活性大。这些优点使燃料电池被公认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，近年来受到各国政府和企业的高度重视。 目前电催化剂作为燃料电池关键材料，其材料及制备成本、电化学反应活性和长期运行的稳定性是实现燃料电池商业化最大的障碍。以常见的质子交换膜燃料电池为例，Pt等贵金属材料是在PEMFC中应用最为广泛的催化剂材料，其有限的资源、昂贵的价格以及复杂的制备工艺导致燃料电池的价格不能大幅度降低，成为燃料电池商业化的瓶颈。近年来，非Pt催化剂一度成为各国燃料电池研究人员研究开发的重点和热点，非Pt氧还原阴极催化剂主要包括过渡金属簇化合物、过渡金属大环化合物、过渡金属氧化物以及过渡金属碳氮化合物等。非Pt催化剂较好的催化剂活性和低廉的价格使其成为取代Pt基催化剂最有力的获选，然而由于非Pt材料在燃料电池工作的高电位弱酸、碱性条件下，极易发生副反应导致催化剂的流失，因而稳定性方面距离实际应用还存在很大差距。因此，为实现燃料电池的商品化应用，开发一种高活性、高稳定性、价格低廉的非贵金属燃料电池阴极催化剂迫在眉睫。碳材料凭借其低廉的成本，丰富的孔结构，适宜的比表面积和优良的导热导电性能，广泛地应用于燃料电池的电催化剂载体和多孔气体扩散电极的骨架。碳材料本身对氧还原反应没有活性，但通过掺杂修饰等方法，改进碳材料结构、组成以及表面官能团，可以使碳材料本身对氧还原反应产生催化活性，然而活性较低、稳定性较差。因而，开发研制一种具有较高氧还原活性和抗氧化腐蚀性能的碳材料作为燃料电池催化剂，将大幅度降低材料成本，提高电池长期工作的稳定性，对燃料电池的商业应用具有重要意义。炭干凝胶材料具有较高的导电性能、较大的中孔比例、适宜的比表面积等特性，以往经常用作燃料电池载体。研究表明，氮化处理后的碳材料在氧还原反应中具有较高的氧还原活性，而掺杂有金属，经过氮化的炭干凝胶具有制备简单，价格低廉，是一种具有前景的质子交换膜燃料电池非钼催化剂。另外，为了进一步提高炭干凝胶非钼催化剂在质子交换膜燃料电池中的活性，需要对其进行结构以及性能上的改进。据研究表明，碳纳米管由于其独特的结构和性能，和其他材料复合形成的复合材料，在应用中表现出了优良的性能。因此，在制备炭凝胶的前驱体中，加入碳纳米管，再经过氮化形成的碳化碳纳米管掺杂炭干凝胶，表现出比未掺杂炭干凝胶更优良的性质，作为燃料电池电催化剂，可以大大降低催化剂材料成本，提高燃料电池的稳定性，推动燃料电池的商业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型碳纳米管掺杂炭干凝胶催化剂及其在燃料电池中的应用；炭干凝胶具有较大的比表面积、适宜物质传输的中孔结构和良好的导电导热性能，而碳纳米管具有强度高，耐腐蚀等特点，两者的复合材料作为燃料电池阴极催化剂，长期运行抗腐蚀性稳定性好、氧还原反应活性高于未掺杂碳纳米管的炭干凝胶。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种碳纳米管掺杂炭凝胶催化剂，以间苯二酚、甲醛、金属盐和碳纳米管为原料，采用如下过程制备而成 (I)将碳纳米管用酸溶液或双氧水进行加热回流表面净化处理，所述酸溶液为浓硝酸、浓盐酸或浓硫酸中的一种或二种以上的混合溶液；双氧水的浓度为5 8M(优选6M);加热温度80 140°C (优选110°C );加热时间I 8h (优选4 6h)(2)将间苯二酚和溶剂按0. I IOml溶剂/Ig间苯二酚的比例混合配制透明溶液A ；(3)将金属盐加入到上述溶液A中混合均匀，得到溶液B，其中间苯二酚与金属盐中金属原子的摩尔比为10 : I 1500 I ；其中环境温度为20 100°C，最好为20 50°C。环境条件温和，减少溶剂挥发量，可获得适宜比表面积的凝胶材料；(4)将碳纳米管和水按质量比为I : 200 I : 500(优选I : 200)，超声均匀分散成碳纳米管悬浮液，滴加到溶液B中均匀混合，间苯二酚与碳纳米管按质量比为500 I 2000 I (优选500 I 1000 I)，向混合溶液中加入甲醛溶液，间苯二酚和甲醛的摩尔比为I : I 4 : 1(优选3 1)，在20 100°C (优选50 70°C)环境中持续搅拌直至反应形成凝胶C ；在持续搅拌过程可以通过添加0.5 30ml质量浓度为I 28% (优选10 15%)的氨水，加速成胶。(5)将凝胶C干燥老化处理3 12天(优选7天)，取出后粉碎研磨，得到固体粉末D ;(6)将固体粉末D于600 1200°C (优选条件为600 900°C )氮化气氛处理I 10小时(优选5 8小时)，惰性气体吹扫至室温，采用0. 5 5M酸溶液(根据酸溶液种类而定)洗除未反应的金属盐，干燥后即得本专利技术的炭凝胶催化剂。所述金属盐为IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB和IIB族中的一种或多种金属元素的可溶性盐；可溶性盐为金属的硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物、二亚硝基二胺盐、乙酰丙酮化物、或大环络合物卟啉、酞箐及其聚合物中的一种或多种；所述金属元素为Fe、Co、Ni, Cu, Zn, Ir、V、Cr、Mn、Zr、W、Ti、La、Ce 中的一种或二种以上。所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管；单壁碳纳米管管径范围为0. 5-5. 5nm，长度范围为3_50 y m。多壁碳纳米管外径范围为15-40nm，内径范围为3-lOnm，长度范围为20-70 u m。所述氮化气氛为N2、NH3、CH3CN或HCN中的一种或二种以上。所述干燥老化方法可为CO2超临界干燥，CO2超临界干燥条件40 55°C、11 16Mpa,可得气凝胶；真空干燥,真空干燥条件50 90°C、-0. I -0. 09Mpa,可得干凝胶；或冷冻干燥，冷冻干燥条件温度低于溶剂凝点、常压，可得冻凝胶。配制溶液A时，所述溶剂为水的搅拌环境温度为20 80°C (优选40°C )，溶剂为乙醇的搅拌环境温度为20 78°C (优选40 50°C )，溶剂为异丙醇的搅拌环境温度为20 820C (优选40 50°C )，溶剂为乙二醇的搅拌环境温度为60 100°C (优选70 90°C )；乙醇和异丙醇具有较好的分散性，使反应物分散均匀，乙二醇适用于较高的温度环境。惰性气体吹扫固体粉末至室温时，所选用的惰性气体可以为氮气，氩气，二氧化碳气体，或者是上述三气体以任意比例混合的混合气。洗除金属 盐的酸溶液可以是盐酸，硫酸，硝酸，其氢离子浓度为1M/L。所述催化剂在质子交换膜燃料电池或碱性膜燃料电池中的应用。本专利技术作为一种非金属催化剂用作燃料电池阴极催化剂时，表现出良好氧还原活性和电化学稳定性。本专利技术的有益效果I.碳纳米管掺杂炭凝胶催化剂作为一种非本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池用碳纳米管掺杂炭凝胶催化剂，其特征在于：所述催化剂以间苯二酚、甲醛、金属盐和碳纳米管为原料，采用如下过程制备而成：(1)将碳纳米管用酸溶液或双氧水进行加热回流表面净化处理；(2)将间苯二酚和溶剂按0.1～10ml溶剂/1g间苯二酚的比例混合配制透明溶液A；(3)将金属盐加入到上述溶液A中混合均匀，得到溶液B，其中间苯二酚与金属盐中金属原子的摩尔比为10∶1～1500∶1；(4)将碳纳米管和水按质量比为1∶200～1∶500在超声中均匀分散成碳纳米管悬浮液，再滴加到溶液B中均匀混合，其中间苯二酚与碳纳米管质量比为500∶1～2000∶1；向混合溶液中加入质量浓度为20～40％的甲醛溶液，间苯二酚和甲醛的摩尔比为1∶1～4∶1，在20～100℃环境中持续搅拌直至反应形成凝胶C；(5)将凝胶C干燥老化处理3～12天，取出后粉碎研磨，得到固体粉末D；(6)将固体粉末D于600～1200℃氮化气氛处理1～10小时，冷却至室温；干燥后即得本专利技术的炭凝胶催化剂。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张华民，柳丝丝，钟和香，金虹，唐永福，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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