[发明专利]一种复合型聚合物作为载体的催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种以复合型聚合物做为载体的催化剂及其制备方法。所发明催化剂具有导电和导质子双重功能，具有良好的化学稳定性，在光电、电池等工业领域具有非常广阔的潜在应用价值。

技术背景

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell简称PEMFC)直接把储存在燃料和氧化剂内的化学能转化为电能，没有环境污染，不受卡诺循环限制，能量转换效率远高于热机。因此，将在分布式电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。PEMFC催化剂广泛使用碳载铂催化剂或碳载铂钌合金催化剂，后者主要应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)，以增强催化剂抗一氧化碳中毒的能力。

催化剂载体材料与催化剂铂等活性物质一样对催化剂性能的发挥具有不可忽视的重要作用。它不仅在结构组成与传质方面扮演着为活性物质提供巨大的比表面积和构建电子通道的角色，还能够以不可忽视的载体效应对主催化剂的性能产生明显的辅助催化作用。目前，燃料电池中的催化剂载体多为碳黑，如Cabot公司生产的Vulcan XC72。但制备的Pt/C中Pt的利用率并不高，通常低于20％。这是因为大量的铂或铂合金颗粒沉积在多孔碳黑的微孔中，不能与质子导体接触，因此不利于形成更多三相反应区。此外，碳黑的电化学稳定性较差，而燃料电池内部的电化学环境比较恶劣，使碳黑容易发生电化学腐蚀，促进了铂或铂合金颗粒的流失或团聚。而且碳黑的机械强度也不高。这些都限制了Pt基催化剂在燃料电池中的应用。

导电聚合物有优良的导电性能，常见的导电聚合物有聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)、聚噻吩(PTh)等。如导电高分子聚苯胺(PAn)具有长链共轭结构，并且质子能在聚苯胺分子长链上可逆掺杂，使得聚苯胺具有电子导电的性能。此外，聚苯胺在酸性条件下还具有优异的抗氧化性能。目前国内已有导电聚合物应用于燃料电池的报道。如武汉理工大学木士春等人用导电聚苯胺作粘结剂修饰一维纳米碳，然后再在其表面负载Pt等金属催化剂颗粒，制备燃料电池催化剂(ZL200510018287.1)。

在质子交换膜燃料电池的酸性工作条件下，导质子聚合物通常具有比较好的导质子能力，如果用以修饰催化剂，可以较好地构建质子通道，有利于形成更多燃料电池电化学反应所需的三相反应界面。为此，发明人采用导电子聚合物作为燃料电池催化剂载体构建催化剂(层)的电子通道，同时，对纳米催化剂金属颗粒加以导质子聚合物修饰，制得具有导电和导质子的双重功能催化剂。

目前，尚未有导电聚合物与导质子复合型聚合物作为催化剂载体并合成催化剂的相关报道。

发明内容

本发明目的旨在提供一种由导电聚合物与导质子聚合物构成的复合型聚合物为载体的燃料电池催化剂。本发明的目的还提供该复合型聚合物及催化剂的制备方法。

本发明提供的复合型聚合物作为载体的燃料电池催化剂，与背景技术相比，具有以下优点：1)催化剂载体具备优异的抗腐蚀性能，以及良好的导电和导质子双重功能；2)导电聚合物和导质子聚合物作为粘结剂可提高催化剂金属颗粒与载体间的结合力，使得催化剂的耐久性得到提高。

实现本发明目的的技术方案：

一种以复合型聚合物为载体的燃料电池催化剂，其特征在于，所述的复合型聚合物是由导电聚合物和导质子聚合物共同构成。

其中，所述的导质子聚合物选自全氟磺酸树脂、磺化聚砜类树脂、磺化聚苯硫醚树脂

(SPPS)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚酰亚胺树脂(SPIs)、磺化聚苯乙烯树脂(SPS)或磺化聚醚醚酮树脂(SPEEK)。

所述的导电聚合物是聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。

本发明的复合型聚合物为载体的燃料电池催化剂的制备方法，其特征是，先制备导电聚合物与导质子聚合物的复合型聚合物，然后负载金属催化剂颗粒到复合型聚合物表面，具体的制备步骤如下：

步骤1：将导质子聚合物分散在醇水溶液中，然后加入导电聚合物单体，导质子聚合物与导电聚合物单体的质量比0.1～100∶1，充分搅拌，制得分散液；

步骤2：将导电聚合物单体的聚合引发剂加入到步骤1所制的分散液中，保持温度在0～10℃，反应2～8小时使单体聚合完全，制得复合型聚合物；

步骤3：将步骤2制备的复合型聚合物分散于醇水溶液中，加入金属前驱体盐溶液，导电聚合物单体与金属催化剂颗粒的质量比为0.1～100∶1，在N2、He或Ar保护下充分搅拌，90～100℃加热回流30～60分钟，制得复合型聚合物为载体的燃料电池催化剂；