[发明专利]适用于燃料电池的电极催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及适用于燃料电池的电极催化剂，且具体地但非排它性地涉及适用于燃料电池的阳极电极催化剂以及电极催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池已被认为是一种对环境清洁、经济、高效的替代能源，其已经越来越引起政府、工业和学术机构的关注。燃料电池是从燃料和氧化剂的化学反应过程中发电的一种装置。电化学燃料电池通常包括由电解质分隔开的阳极电极和阴极电极。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池中研究最广泛的一种，其中氢用作燃料。然而，考虑到氢的原位制备以及质子交换膜燃料电池所要求的氢气的高纯度以及存储方面，已经尝试研发下述燃料电池，其使用纯氢气以外的燃料，例如其中使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池（DMFC），在包括汽车制造业的不同应用中已广泛采用直接甲醇燃料电池。

然而，已知适于直接甲醇燃料电池的传统阳极电极催化剂（例如铂（Pt）金属或铂合金）遇到许多实际问题。例如，Pt催化剂的性能对于反应的中间产物（一氧化碳，CO）非常敏感，在甚至极微量一氧化碳（CO）存在的情况下它们的催化活性显著降低。其它缺陷是传统的阳极电极催化剂已知具有非常低的电极催化活性以及较差的耐用性。这些缺陷已经显著影响了直接甲醇燃料电池（DMFC）的效率，因此显著影响了其性能。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供适用于燃料电池的电极催化剂，其包括基底、第一金属化合物、活性组分和第二金属化合物，其中所述第一金属化合物和所述活性组分沉积到所述基底上以形成沉积有第一金属化合物－活性组分的基底，以及所述第二金属化合物进一步沉积到所述沉积有第一金属化合物－活性组分的基底上且基本包封所述沉积有第一金属化合物－活性组分的基底。

在第一方面的一个实施例中，所述基底包括碳材料。

在第一方面的一个实施例中，所述碳材料包括碳纳米管。

在第一方面的一个实施例中，所述第一金属化合物包括第一金属氧化物。

在第一方面的一个实施例中，所述第二金属化合物包括第二金属氧化物。

在第一方面的一个实施例中，所述第一金属氧化物包括氧化钌。

在第一方面的一个实施例中，所述活性成分包括贵金属。

在第一方面的一个实施例中，所述贵金属包括铂。

在第一方面的一个实施例中，所述铂为粒子形式。

在第一方面的一个实施例中，所述第二金属氧化物包括二氧化锰。

在第一方面的一个实施例中，所述第一金属氧化物在所述基底上形成第一金属氧化物层。

在第一方面的一个实施例中，所述活性组分沉积到所述第一金属氧化物层上。

在第一方面的一个实施例中，所述第二金属氧化物形成第二金属氧化物层于所述第一金属化合物和所述活性组分之上,且基本包封所述第一金属化合物和所述活性组分。

在第一方面的一个实施例中，所述基底包括碳纳米管，以及所述第一金属化合物包括含钌化合物，其中所述碳纳米管和所述钌的质量比为1：0.02至0.15。

在第一方面的一个实施例中，所述碳纳米管和所述钌的质量比为1：0.04至0.12。

在第一方面的一个实施例中，所述活性成分包括铂，其中所述钌和所述铂的质量比为1：0.5至2。

在第一方面的一个实施例中，所述钌和所述铂的质量比为1：1至1.5。

在第一方面的一个实施例中，所述第二金属化合物包括含锰化合物，其中所述钌和所述锰的质量比为1：0.5至3。

在第一方面的一个实施例中，所述钌和所述锰的质量比为1：1至2.5。

根据本发明的第二方面，提供适用于燃料电池的电极催化剂的制备方法，其包括以下步骤：将第一金属化合物淀积到基底上以形成第一金属化合物－基底复合物，将活性组分沉积到所述第一金属化合物－基底复合物上以形成活性组分－第一金属化合物－基底复合物，涂覆第二金属化合物以基本包封所述活性组分－第一金属化合物－基底复合物从而形成所述电极催化剂。

在第二方面的一个实施例中，所述基底包括碳材料，所述第一金属化合物包括第一金属氧化物，所述活性成分包括贵金属，以及所述第二金属化合物包括第二金属氧化物。

在第二方面的一个实施例中，所述第一金属氧化物包括氧化钌。

在第二方面的一个实施例中，所述贵金属包括铂。

在第二方面的一个实施例中，所述第二金属氧化物包括二氧化锰。

在第二方面的一个实施例中，所述碳材料包括碳纳米管。