质子交换膜燃料电池电催化剂
燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学能不经过热而直接转化为电能的装置。它利用氢气、天然气、煤气以及甲醇等非石油类燃料与纯氧或空气分别在电池的两极发生氧化-还原反应，连续不断地对环境提供直流电。燃料电池被认为是继火力、水力和核能发电之后有希望大量提供电力的第四种发电技术。燃料电池有多种，各种燃料电池之间的差别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，即PEMFC)以质子交换膜为电解质，其特点是无噪音，零污染；无腐蚀，寿命长。由于工作温度低，启动快，比功率密度大，体积和重量都比较小，很适合作为便携式电源和电动汽车的电源，近年来引起了人们日益广泛的关注。电催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一，它是质子交换膜燃料电池未来能否走向商业化的关键因素之一。目前，普遍采用的催化剂是以贵金属Pt为主体，由于Pt的价格昂贵、资源匮乏，而且燃料中通常会中含有少量的CO气体使Pt催化剂“中毒”，因而成为燃料电池商业化的一大障碍。因此，制备一种价格低廉的质子交换膜燃料电池新型催化剂是目前PEMFC课题中的研究热点之一。
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池电催化剂及其制备和应用；其活性高、制备过程简单，活性组分价格低廉、资源丰富、分布均匀。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池电催化剂，以元素周期表中的第IIIb、IVb、Vb、VIb、VIIb、VIII和Ib族中的一种或几种的金属元素的碳化物或氮化物，或过渡金属氧化物MxOy(其中X＝1、2或3，y＝1、2、3或4)为活性组份；活性组份的含量为催化剂总重量的5-70％，余量为载体；且活性组份中至少含有钼和钨的氮化物中的一种，钼的氮化物和/或钨的氮化物的含量为催化剂总重量的10-60％。质子交换膜燃料电池电催化剂的制备方法，包括前驱氧化物制备和碳、氮化过程；氧化物和碳、氮化物的前驱氧化物及金属单质的制备可以是初湿法(incipient wetness method)、浸渍-还原法、胶体法、溶胶凝胶法、保护剂法等电催化剂常用的制备方法。氧化物和碳、氮化物的前驱氧化物及金属单质的制备主要包括如下步骤：1)将金属活性组份的可溶性前驱物溶解到溶剂中，制成活性组分的混合溶液；活性组分的前驱物通常为Pt、Ru、Mo、W、Cr、V、Ta、Nb、Fe、Co、Ni、Ti、Re、Sn、Se等的无机盐或其他有机化合物中的一种或几种；2)将载体与上述混合溶液混合，利用众所周知的高分散催化剂制备方法如初湿法、浸渍-还原法、胶体法、溶胶凝胶法、保护剂法等方法将活性组分均匀的分散在载体的表面；3)将上述均匀的混合物加热到50℃～95℃，在不断搅拌下使溶剂缓慢挥发至混合物表面干燥；然后在60℃～150℃的条件下真空干燥2～24小时；4)在H2/惰性气体的气氛下He、Ar和/或N2的气氛下，将上述干燥后的混合物在200℃～600℃下焙烧0.5～12小时，得到产物。焙烧过程的升温速率通常为0.1～20℃/min。金属碳、氮化物制备按所采用过渡金属源和制备工艺不同可分为三种：(1)程序升温还原法(TPR)；(2)气相法；(3)热分解法。所述碳、氮化过程中的程序升温还原法是指前驱氧化物在碳、氮化气氛中用分段程序升温对催化剂进行碳化和氮化；是以前驱金属氧化物与碳源、氮源为原料，经过类似于程序升温还原过程的工艺，可在设定温度下进行，使过渡金属氧化物经过还原和碳氮化合的反应过程。常用的氮源(氮化气氛)有NH3、N2+H2(H2∶N2mol比为3～5∶1)；碳源为CH4+H2、C2H2+H2、C6H6、H2等。氮化温度一般在在400℃-1600℃范围内；碳、氮化过程中的升温速度通常为0.1-20℃/min。
与传统制备方法相比，本发明具有如下优点：1.本发明提出一种新型质子交换膜燃料电池的催化剂，并增加了质子交换膜燃料电池催化剂的多样化。本发明将钼或钨氮化物中的一种作为一种活性组份，制备了MC/C、MN/C催化剂，对O2还原反应具有良好的催化活性，并在一定程度上对H2氧化反应具有催化活性，且具有一定程度的抗CO性。该催化剂还可以用作高温质子交换膜燃料电池催化剂；在一定程度上降低了目前PEM燃料电池催化剂方面对贵金属Pt的依赖，降低了催化剂的价格，增加了催化剂的多样化，加快了燃料电池商业化的步伐。总之，该类催化剂环境友好、成本低、催化剂活性高，价格低廉，资源丰富。活性组份分布均匀。本发明在制备多组份催化剂时由于各组份在担载前处于溶液状态下的均匀状态，并加入分散剂，因此，担载后在载体上各组份的分布也是均匀的，金属之间的协同作用强。