[发明专利]一种蒙脱土稳定钯催化剂的方法

说明书

一、技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种蒙脱土稳定钯催化剂的方法。

二、背景技术

燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、室温快速启动等优点，被认为是未来电动汽车及其它民用场合最有希望的化学电源。在燃料电池产业化的进程中，其成本问题和寿命问题一直是困扰其发展的核心问题。当前，燃料电池的成本居高不下的主要原因是贵金属Pt的大量使用。由于Pt的价格昂贵，资源匮乏，开发非Pt催化剂、提高催化剂的活性成为目前燃料电池催化剂的研究重点。金属Pd具有储量丰富、价格便宜以及氧还原活性优异等优点，被视为铂的最理想替代金属。然而，目前使用的Pd催化剂均以纳米颗粒的形式高分散的担载在碳载体上，由于Pd与碳载体之间的电子结构差异性较大，只依靠弱相互作用黏附在一起，Pd纳米粒子很容易在载体表面迁移、团聚长大，致使催化剂表面积减小，活性降低。此外，Pd基催化剂的催化活性还远不及铂类催化剂，无法满足商业化使用的要求。因此，提高Pd基催化剂的稳定性和催化活性具有重要意义。

为解决Pd催化剂的稳定性差和氧还原催化活性低的问题，主要采用的方法有：(1)选择过渡金属与Pd金属形成合金催化剂，中国专利CN200680004573.5公开了“钯钴颗粒作为氧还原电催化剂”，通过将钯和钴形成合金催化剂，担载在导电载体上作为氧还原催化剂。该方法在一定程度上提高了Pd催化剂的催化活性，但在以酸性环境为主的燃料电池反应过程中，过渡金属容易以阳离子的形式从催化体系中流失，进而导致金属离子与质子交换膜发生交换吸附，造成质子交换膜的质子交换能力下降，从而严重影响了燃料电池的工作效率；(2)选择能与Pd催化剂协同催化的特殊物质为催化剂载体，中国专利CN200510034621.2公开了“碳载钯/氧化物复合电催化剂及其制备方法”，通过将金属钯和氧化物的纳米颗粒附着在碳粉表面而形成均匀分布的碳载钯/氧化物复合物，用微波交替加热碳和硝酸盐一步快速制备碳载氧化物，通过NaBH4还原PdCl3把Pd沉积在碳载氧化物上得到该催化剂。虽然该方法获得的催化剂对醇的电化学氧化体现了较高的活性和抗毒化能力，但是依然无法解决Pd的团聚失活的问题。文献[Zhonghua Zhang，Xiaogang Wang，Zhiming Cui，Changpeng Liu，Tianhong Lu，WeiXing，Journal of Power Sources 185(2008)941-945]采用比碳载体更为稳定的碳与氧化钨复合物作为Pd催化剂的载体，该方法通过载体与Pd的协同催化效应提高Pd催化剂的催化活性，但是Pd是分散在载体的表面，与载体之间的结合力依然较弱，仍然无法避免Pd在燃料电池工作环境中的团聚、迁移和失活，所以该方法制备的催化剂稳定性较差。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有钯基催化剂存在的稳定性较差和氧还原活性较低的缺点，提供一种蒙脱土稳定钯催化剂的方法。本发明通过离子交换将钯阳离子交换到全氟磺酸树脂插层的蒙脱土层内部，然后通过化学还原方法将钯阳离子在蒙脱土层内原位还原成纳米钯，再通过引入碳粉形成具有质子、电子、传质通道的燃料电池催化剂三相界面。本发明利用蒙脱土层状结构的空间限制作用，将钯锚点在催化层内阻碍催化剂的迁移、团聚以及流失，从而提高催化剂的稳定性；另外蒙脱土优良的质子传导能力加速了催化层内质子传导速率加速了催化反应速率，从而提高催化剂的催化活性。

本发明的目的是这样实现的：一种蒙脱土稳定钯催化剂的方法，其具体方法步骤如下：

(1)蒙脱土的有机阳离子改性

按钠基蒙脱土∶十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1∶0.5称取钠基蒙脱土和十六烷基三甲基溴化铵；首先将钠基蒙脱土加入60℃的去离子水中，超声搅拌30分钟形成质量浓度为0.05g/ml的钠基蒙脱土悬浮液；然后在60℃超声搅拌条件下，将十六烷基三甲基溴化铵缓慢加入到上述钠基蒙脱土悬浮液中，60℃条件下超声搅拌20分钟，然后在100℃条件下加热回流24小时，冷却至60℃，最后经真空抽滤、去离子水洗涤、烘干以及研磨后得到有机阳离子改性蒙脱土。

(2)全氟磺酸树脂插层有机阳离子改性蒙脱土悬浮液的制备