[发明专利]一种燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂及其制备，具体涉及Pt-CeO₂/GN催化剂及其制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池（DMFC）作为清洁、高效、操作条件温和的绿色能源，是解决环境污染和能源危机的主要途径之一。然而，较低的反应速率限制了DMFC的应用。目前，Pt是催化阳极和阴极发生反应最佳活性组分，但是Pt的价格昂贵且在阳极容易被甲醇氧化的中间产物（如CO）毒化而失去催化活性，在阴极的反应动力学仍然较缓慢。因此，研发低载铂、高性能的催化剂是推动燃料电池发展的关键技术。近期研究表明，将Pt与过渡金属（如Ru、Pd、Ni等）复合形成具有双金属催化机制的合金或核壳型催化剂，可以有效地提高催化剂的催化活性和抗毒能力。还有学者研究发现在Pt系催化剂中掺杂金属氧化物（如CeO₂、TiO₂、Fe₂O₃等）可以防止Pt纳米颗粒的团聚，同时金属氧化物与Pt形成协同催化作用提高催化活性。由于CeO₂价格低廉、储氧能力高，并且CeO₂能通过价态的变化为氧气的储存和传输提供一个良好的环境，因此学者们对于Pt与CeO₂的复合催化剂的性能研究做出了许多工作。Scibioh等（M. Aulice Scibioh et al., Pt-CeO₂/C anode catalyst for direct methanol fuel cells, Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 84(3), 773-782）采用分步法制得Pt-CeO₂/C催化剂，研究发现在催化氧化甲醇过程中CeO₂与Pt起到协同催化作用，Pt-CeO₂/C催化剂催化氧化甲醇的活性和稳定性高于Pt/C催化剂。

载体对催化剂的性能有较大的影响，研究表明以碳纳米管为载体的纯铂催化剂比商业的Pt/C催化剂的催化性能高出一倍。石墨烯是一种由单层的碳原子组成的蜂窝状结构的二维炭材料，具有比碳纳米管更大的比表面积和更好的电子传导能力，是继炭黑、碳纳米管之后最为理想的催化剂载体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高催化活性和稳定性的燃料电池催化剂及其制备方法。

本发明提供的燃料电池催化剂，是以石墨烯为载体，Pt-CeO₂作为活性组分的催化剂Pt-CeO₂/GN，该催化剂中Pt与CeO₂的复合纳米颗粒均匀的分布在石墨烯表面，Pt颗粒的粒径为3-5 nm。Pt-CeO₂/GN催化剂的催化活性比Pt/GN催化剂的催化活性提高20-35%；其电化学活性面积达到59.1-66.4 m² g^-1,催化氧化甲醇的电流密度可以达到279.5-440.1 mA g^-1Pt。（可以作为该催化剂的性能数据）。

该燃料电池催化剂具体制备步骤如下：

所述的氧化石墨的制备参照文献 (S. William et al., Preparation of Graphitic Oxide, J. Am. Chem. Soc., 1958，80，1339)。

A．将氧化石墨粉末（GN）与硝酸铈按照质量比4-40:1混合并超声分散均匀，用0.1-0.5mol L^-1氨水或0.1-0.5mol L^-1氢氧化钠溶液调节pH=8-11，于80-120℃回流反应4-6h，再于120-160℃反应3-6h，然后抽滤、洗涤，于40-60℃的真空干燥箱中烘干得到石墨烯载二氧化铈的复合物，用CeO₂/GN表示；

B.将步骤A制得的CeO₂/GN加入到乙二醇溶液中，其中CeO₂/GN与乙二醇的比例为1mg:1-2ml，超声分散1-4h，加入氯铂酸, 其中CeO₂/GN与氯铂酸的比例为3:1-1:2，用氢氧化钠的乙二醇溶液或氢氧化钾的乙二醇溶液调节上述混合溶液的pH值为9-11，升温至80-120℃反应4-6h，然后抽滤、洗涤，在40-60℃的真空干燥箱中干燥得Pt-CeO₂/GN催化剂。