本技术介绍了一种复合气凝胶型氧还原催化剂的制备方法及其应用领域。通过精细调控γ-GY与MWCNT的复合比例,氮杂原子的掺杂,以及优化水热反应条件,成功制备出高性能氧还原催化剂。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高能量转化效率和零排放特性,被认为是实现可持续能源和碳中和计划的关键技术之一。然而PEMFC的性能表达受限于阴极的氧还原反应(ORR),因此开发高效的ORR催化剂是实现燃料电池商业化的关键。在过去的几十年里,尽管ORR催化剂的研究取得了显著的进展,但是开发同时具备优异活性和良好耐久性的催化剂仍然是一个巨大的挑战。
Pt基催化剂是目前最常见的ORR催化剂,尽管Pt基催化剂具有出色的性能,但我们也必须正视其存在的问题。首先,Pt作为贵金属,地质储量少,在大规模应用时会导致成本显著提高,不利于其在商业领域的大规模应用,进一步限制了质子交换膜燃料电池的发展。其次,Pt基催化剂的耐腐蚀性并不理想,在酸或碱等特定条件下,易受到氧化或还原的影响而失效,这大大降低了催化剂的稳定性和使用寿命。为了解决这些问题,科研人员们正在积极寻找容易获得、廉价且高效的Pt/C催化剂替代品。
中国专利CN115986148A公开的低铂石墨烯ORR催化剂及其制备方法和应用,该发明以聚酰亚胺薄膜和氯铂酸为原料,通过激光刻蚀技术和电沉积的方法制备了低铂石墨烯氧还原催化剂,该发明简单易行,成本较低,适合工业化生产,而且制备的低铂石墨烯氧还原催化剂具有良好的氧还原催化性能。然而其耐久性问题却不容忽视,在高温、高压或复杂环境下,石墨烯和铂颗粒的结构可能因受到热应力和机械应力的影响而发生疲劳,导致其导电性和稳定性下降,同时铂颗粒也可能受到环境因素的影响而发生聚集或失活,进而影响催化剂的催化性能。
中国专利CN110492112公开了一种ORR复合催化剂及其制备方法,该复合催化剂结合了介孔中空碳球和过渡金属氮化物,其中介孔中空碳球为催化剂提供了更大的比表面积和更多的活性位点,而过渡金属氮化物则通过其独特的电子结构增强了催化剂的氧还原能力。但是该发明制备工艺相对复杂,增加了制备的难度和成本;其次,催化剂的稳定性不足,可能在使用过程中受到环境因素如温度、湿度等的影响而发生性能下降;此外,催化剂的尺寸难以控制。
中国专利CN115924900A公开的石墨碳ORR电催化纳米材料的制备方法,该发明的原料易得且廉价,工艺简洁,适合规模化生产,而且所制得的材料在酸性和碱性条件下均展现出优异的氧还原电催化性能。然而,该材料在稳定性和选择性方面仍存在一些挑战,在稳定性方面,长时间使用或复杂环境下,石墨碳ORR电催化纳米材料可能面临结构变化、失活或溶解等问题;在选择性方面,虽然石墨碳ORR电催化纳米材料在某些反应中显示出良好的催化活性,但在其他反应中可能操作效率不高或选择性较低。
因此,合成具有高催化活性、低成本、制备操作简单且稳定性高的ORR催化剂,对燃料电池的发展具有重要意义。
实现思路