[发明专利]使用复合还原剂制备高度分散的负载型铂催化剂的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年9月25日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2006-0092809号的优先权，其内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及制备高度分散的负载型铂催化剂的方法，尤其是在制备高度分散的负载型铂催化剂的方法中，将通过乙二醇和硼氢化钠混合而制备的还原剂加入至铂前体和碳载体的混合物中。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能量转变为电能的发电设备。燃料电池与传统的内燃机相比是一种具有较佳效率的可替代能量，并很少排出污染材料。燃料电池可用于很宽的应用范围，包括计算机、便携式摄录机、和移动电话、车辆、火车、船只或潜艇的电源、家庭和小型或中型发电厂的供电和加热设备。最近，燃料电池已经大力发展为车辆电源，并作为移动电话的电源而得到关注。

燃料电池包括氧化电极、还原电极和电解液，并通过使用氧化和还原电极的催化反应和离子在电解液中的渗透来产生电能。通过氧化在氧化电极中注入的燃料而产生的氢离子，被导入到电解液膜中。在还原电极中，从电解液膜提供的氢离子、注入至还原电极的氧、和从氧化电极提供的电子反应而产生水。铂之类的具有优异电化学反应活性的金属被用作电极催化剂，在低温下发生电极反应。然而，尽管铂是一种独立催化剂，其能够促进燃料(氢或醇类)氧化，并促进氧从100℃左右降低至正常温度，但由于铂不太可能燃烧，且铂价格高，因此尽可能增加每单位重量的活性是很重要的。为了达到此目的，应该通过调节颗粒在纳米尺度范围内的尺寸来使反应活性面积达到最大化。如果在燃料电池中催化剂层的厚度增加，反应物或产物的扩散阻力增加，就会降低燃料电池的总体效率。因此，需要与能够减小催化剂层厚度的载体相比，含有更大量铂的高负载型催化剂。但由于含铂量增加，铂颗粒的尺寸增加，会降低反应物活性面积。为了解决此问题，已经开发了多种方法。

例如，开始经常使用初浸渍法来制备铂催化剂。但这种方法的缺陷是当被负载的金属量变大时，铂催化剂颗粒的平均尺寸变得更大，其尺寸分布变得更宽。

美国专利第4,186,110号提出了一种沉淀法，其中通过将碳载体和水浆转变为碱，注入氯化铂酸溶液，并加入甲醛之类的还原剂，在液相中还原铂。此外，美国专利第5,068,161号提出了制备催化剂的方法，使用该方法，就催化剂总重量而言，其负载的铂达到60wt％。

但这种沉淀法产生的催化剂，铂颗粒分布不均一，尽管该方法简单并适于大量生产。

已经提出了一种胶体法，其中在水溶液或有机溶液中制备细微的铂颗粒，且铂颗粒吸附在碳载体上。但该制备方法复杂，且产生的铂颗粒的尺寸会根据如pH和温度之类的因素发生变化。另外，吸附的时间相对很长。

此外，韩国公开专利申请第2004-88288号提出了通过添加pH调节物质，将铂/载体催化剂转变为碱以负载铂，其中pH调节物质的密度是部分不均一的，且铂颗粒的分布不均一，使铂催化剂的制备缺乏高再现性。

在本发明的背景技术部分公开的信息仅仅为了加强对本发明背景技术的认识，不应该被认为是承认或任何形式的暗示：这些内容形成了被本领域技术人员公知的现有技术。

因此，需要一种制备高度分散的负载型铂催化剂的方法，其中所述催化剂的铂颗粒尺寸和分布有所提高。

发明内容

在一个方面，本发明提供了一种制备高度分散的负载型铂催化剂的方法，该方法包括将还原剂加入至铂前体和碳载体的混合物中的步骤，其中所述的还原剂是通过将乙二醇和硼氢化钠混合而制备的。

本发明的优选实施方式包括下列的步骤：(a)将乙二醇与硼氢化钠以1∶0.01至1∶0.1的摩尔比例，在0至50℃的温度下混合30分钟至3小时，以制备复合还原剂；(b)将铂前体和碳载体以1∶9至8∶2的摩尔比例分散在溶剂中；(c)通过在0至50℃的温度下，将复合还原剂在分散的溶剂中混合30分钟至3小时，制备铂前体、碳载体、和复合还原剂的混合溶液；(d)在40至80℃的温度下，将铂前体、碳载体、和复合还原剂的混合溶液加热3至10小时；和(e)将盐酸溶液以0.5∶1至2∶1的体积比，在0至50℃的温度下，加入至热处理的铂前体、碳载体、和复合还原剂的混合溶液中20分钟至2小时。

优选地，本发明提供的方法可进一步包括分离的步骤。分离可以通过过滤进行。

优选的溶剂可包括但不限于醇类。

为了制备铂前体、碳载体和复合还原剂的混合溶液，优选使用1摩尔铂前体和6至15摩尔复合还原剂。