[发明专利]一种低铂燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化剂，尤其是涉及一种低铂燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能的装置，一直是新能源发展战略中关注的焦点。由于燃料电池工作不经过热机过程，因此具有以下特点：

1)不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(40％～60％)，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。

2)系统效率和容量的影响较小。

3)无噪音，几乎没有有害气体排放。

4)在有连续的燃料供给的情况下，可以持续工作，且功率密度高，输出稳定。

5)使用简便，操作安全。

近年来，在寻找理想的燃料过程中，逐渐发现甲酸是一种有吸引力的燃料，与甲醇相比有很多优点：甲酸在常温下处于液态，冰点低且无毒，不易燃烧，适用于低温工作，且相对安全。甲酸是很好的电解质，电离后有利于电荷传导，接触电阻小。由于甲酸可在较高的浓度下工作，因此其实际工作时的能量密度要高于直接甲醇燃料电池，并且甲酸电氧化性能好，其对Nafion膜的透过率低，相应的阴极中毒现象也不明显；另外，甲酸燃料电池的理论开路电位为1.45V，比甲醇高。以上的诸多优点都有利于其在移动设备，微机设备中作为动力能源得到应用。

目前，直接甲酸燃料电池(DFAFC)的研究工作主要还是集中在甲酸氧化的阳极催化剂方面。迄今为止，研究最多的是Pt基二元或多元催化剂。由于研究发现Pt作为甲酸的阳极催化剂材料会被CO_ads毒化，因此为了减轻在甲酸氧化过程中产生的CO对Pt的毒化作用，人们已致力于Pt上添加第二组分以增加甲酸在Pt上的氧化速度，所添加的元素有Cu、Ag、Ge、Ru、Pb、Sn、As、Pd、Te、Se、Rh和Ir等。第二元素的添加一般都会提高Pt对甲酸氧化的电催化活性。其中，含Pd的催化剂的性能最好，Pd基催化剂是一种很好的甲酸氧化的电催化剂。

R.Adzic小组(Electrochimica Acta 2010，55：2645-2652)报道了一种电沉积法制得Pd纳米颗粒承载Pt单原子层的PdPt/C催化剂，Pd核与壳层Pt的电子作用极大地抑制了Pt在氧还原过程中的溶解腐蚀，在0.9V(RHE)时PdPt/C催化剂单位铂质量的氧还原活性电流为0.57Amg^-1_Pt，大约是商业Pt/C催化剂的3.5倍。

中国专利CN 101664685A公开了一种两步化学还原法制备了PdFePt/C核壳结构催化剂，在0.4V(Ag/AgCl)时PdFePt/C催化剂单位铂质量的氧还原活性电流为126mA mg^-1_Pt，大约是商业Pt/C催化剂的4倍。

Wang小组(Chemical Communications，2008，3：353-355)采用两步化学还原法将Pt沉积到Au纳米颗粒表面(摩尔比Pt∶Au＝1∶6)，在0.3V(SCE)时，催化剂的甲酸氧化活性是商业Pt/C催化剂的5倍。

上述方法制备的核壳型Pt基纳米催化剂均不同程度地改善了电极中贵金属Pt的利用率及催化性能。随着对Pd基催化剂的研究不断深入，发现Pd基催化剂还存在很多缺点，特别是，Pd作为阳极催化剂它的活性和稳定性都很差。为了提高Pd基催化剂的活性和稳定性，设计和构筑核壳结构是最有希望大幅度替代目前用量巨大的贵金属催化剂的选择。核壳结构纳米粒子具有特殊的电子结构及表面性质，通过核金属与壳金属之间电子结构的互动调变，使新的粒子属性产生质变，表现出独特的催化性能，因而其在催化等领域的应用日益受到重视。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的不足，提供一种低铂燃料电池催化剂及其制备方法。

所述低铂燃料电池催化剂包括载体和活性组分，所述载体为活性炭，所述活性组分为PdPt，所述PdPt中，铂壳Pt与钯核层Pd的摩尔比为1∶(100～300)，所述活性组分PdPt占低铂燃料电池催化剂总质量的20％～30％。

所述低铂燃料电池催化剂的制备方法包括以下步骤：

1)制备负载型单分散纳米晶-碳负载钯纳米晶(碳负载钯纳米晶记为Pd/C)，具体方法如下：

将载体分散于乙醇溶液中，再加入氯化钯，然后再加入还原剂，反应后，过滤，洗涤，干燥，即得到负载型单分散纳米晶-碳负载钯纳米晶；

2)自发置换制备以纳米钯Pd为核，薄层铂Pt为壳的燃料电池催化剂，具体方法如下：