[发明专利]一种Pt-W合金燃料电池双极催化剂及其制备方法

说明书

  

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，尤其涉及一种合金催化剂及其制备方法。

背景技术

贵金属Pt在自然界中储量非常有限，燃料电池中大量使用贵金属Pt使得其造价居高不下。采用纯Pt作为燃料电池阴极催化剂存在催化活性低和催化剂稳定性较差的问题，目前主要通过加入3d过渡金属Fe、Co、Ni、Cu等与Pt合金化提高燃料电池阴极催化剂的催化活性，这些Pt-3d金属合金催化剂必须以Pt为主要成分（Pt原子分数必须大于50%），否则不能形成表面富Pt结构而保护容易在酸性环境中溶解的3d金属，从而导致催化剂稳定性变差。目前燃料电池阳极则主要采用纯Pt催化剂，其缺点是CO耐受性差，燃料中即使是痕量的CO也会强吸附在催化剂的活性位点上，大幅度降低催化活性。

发明内容

    针对现有技术存在的问题，本发明以提高催化活性、增加催化剂稳定性、改善催化剂的CO耐受性、降低成本为目的，提供了一种Pt-W合金燃料电池双极催化剂及其制备方法。

本发明提供的一种Pt-W合金燃料电池双极催化剂，其组成为：由导电载体和Pt-W合金组成，其中导电载体为金属氧化物或碳，Pt-W合金质量百分比为10~58%，所述Pt-W合金中Pt和W的摩尔比为(5~0.25)：1，Pt-W合金为本发明催化剂的活性成分。

上述Pt-W合金为纳米级。

所述纳米级Pt-W合金的粒径范围为1~10nm。

上述金属氧化物为IrO₂、TiO₂、Co₃O₄、MnO₂、Ta₂O₅中的一种或其两个以上的组合物。

上述碳为导电炭黑、活性炭、碳纳米管中的一种或其两个以上的组合物。

本发明还提供了一种Pt-W合金燃料电池双极催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1) 按比例称取铂化合物、钨化合物和导电载体材料在溶剂中搅拌均匀后经充分干燥得到前驱体；

2) 将前驱体经还原、热解后得到担载型Pt-W合金催化剂，其中，还原温度为60~200℃，热解温度为400~900℃。

上述铂化合物为氯铂酸或氯铂酸钾中的一种或两个的组合物。

上述钨化合物为钨酸铵、偏钨酸铵、钨酸、钨酸钠、羰基钨中的一种或其两个以上的组合物。

上述溶剂为乙醇、四氢呋喃或水。

 

本发明中以金属氧化物或碳作为导电载体，导电载体具有空隙结构与大的表面积，可以均匀吸附铂化合物与钨化合物，使得经还原与热解后所得的金属铂与钨能均匀分散在载体表面，在提高Pt-W合金利用率的同时，还能有效控制金属颗粒粒径。

 

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

1) 本发明的Pt-W合金燃料电池双极催化剂的活性成分中钨的摩尔百分比可高达80%，明显降低了催化剂中铂的含量，而钨的资源丰富，价格低廉，从而可大幅度降低燃料电池电极催化剂的成本；

2) 本发明的Pt-W合金燃料电池双极催化剂可同时用于燃料电池的阴极和阳极，并且对阳极燃料中存在的CO具有优秀的耐受性，不需要额外添加净气设备；

3）本发明的Pt-W合金燃料电池双极催化剂对阳极氢氧化反应具有非常优秀的催化活性，与当前使用的Pt/C催化剂相比，交换电流密度提高了4~5倍；该担载型Pt-W合金催化剂对阴极氧还原反应也具有非常优秀的催化活性，与市售的20wt.% Pt/C催化剂相比，本发明催化剂面积活性提高了2~3倍，质量活性提高了3~4倍；

4) 本发明的Pt-W合金燃料电池双极催化剂，与市售的20wt.% Pt/C催化剂相比，稳定性明显提高，在燃料电池长期使用中，催化活性不会降低；

5) 本发明的Pt-W合金燃料电池双极催化剂的制备方法简便，易于操作，适于大规模生产。

附图说明

图1为PtW₂/C初始时和第30000圈循环伏安扫描后的循环伏安曲线；

图2为PtW₂/C初始时和第30000圈循环伏安扫描后的氧还原极化曲线；

图3为Pt/C初始时和第10000圈循环伏安扫描后的循环伏安曲线；

图4为Pt/C初始时和第10000圈循环伏安扫描后的氧还原极化曲线；