[发明专利]一种燃料电池催化剂Pt/ATO及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种以非炭金属氧化物为载体的燃料电池催化剂及其制备方法。具体地说是一种以非炭材料氧化锡锑（ATO）作为燃料电池催化剂载体，通过乙二醇回流法将Pt担载于金属氧化物上。本发明的催化剂与现用的电催化剂相比具有高的电化学稳定性，可广泛应用于燃料电池领域。

背景技术

作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键材料之一，催化剂的作用举足轻重，它的稳定性直接决定了PEMFC的使用寿命。在载荷变化、启动/停车或怠速运行等车载工况下，高电势的存在会引发炭载体腐蚀，导致催化剂活性组分Pt纳米颗粒聚集和流失。尤其在未保护的启动/停车过程中，电池阴极局部位置会出现约1.6V（vs.RHE）的高电势，在该高电势与Pt催化的共同作用下，炭载体会发生严重腐蚀。针对炭腐蚀，研究者尝试对常用炭载体进行改性或开发新型炭材料，如碳纳米管、碳纳米纤维、炭气凝胶和石墨烯等，虽然在一定程度上可提高载体的抗腐蚀性，但碳组成的化学本质使其依然难以避免高电势下的电化学腐蚀。因此，开发非炭类的催化剂载体十分必要。

过渡金属氧化物大多具有优良的化学和电化学稳定性，二氧化锡（SnO₂）作为过渡金属氧化物的一种，具有较高的电化学稳定性。然而，SnO₂为半导体，其电导率较低，作为催化剂载体时不利于Pt催化活性的有效发挥。通过掺杂F，Sb，Nb等元素可提高SnO₂的导电性。Sb掺杂SnO₂（Antimony doped tin oxide，ATO）获得的氧化锡锑粉体具有优良的导电性（Wu F D,Wu M,Wang Y.Antimony-doped tin oxide nanotubes for high capacity lithium storage[J].Electrochemistry Communications2011;13:433-6.），在太阳能电池领域应用较多。目前已有文献报道了ATO在直接醇类燃料电池催化剂载体中的应用（Lee K-S,Park I-S,Cho Y-H,Jung D-S,Jung N,Park H-Y,Sung Y-E.Electrocatalytic activity and stability of Pt supported on Sb-doped SnO₂nanoparticles for direct alcohol fuel cells[J].Journal of Catalysis2008;258:143-52.），研究表明担载Pt所制备的Pt/ATO催化剂的热稳定性和电化学稳定性要优于Pt/C催化剂。此外，还有研究者将ATO与炭材料复合后作为载体，制备了Pt/ATO/C催化剂，并将其应用于直接醇类燃料电池，获得了较好的醇氧化活性（Guo D-J.Electrooxidation of ethanol on novel multi-walled carbon nanotube supported platinum-antimony tin oxide nanoparticle catalysts[J].Journal of Power Sources2011;196:679-82.）。然而，目前国内外还未见这类材料用于PEMFC阴极催化剂的研究报道。

我们以SnCl₄和SbCl₃为原料，采用共沉淀法制备纳米ATO粉末，将其用作PEMFC阴极催化剂载体。采用乙二醇回流法制备了Pt/ATO催化剂。这种催化剂具有较高的电化学稳定性，可作为一种抗氧化的PEMFC催化剂，从而提高PEMFC的耐久性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于质子交换膜燃料电池阴极的催化剂及该种催化剂的制备方法。该催化剂是一种以非炭材料氧化锡锑为载体，通过乙二醇还原法将Pt担载于非炭载体上，得到Pt/ATO电催化剂。整个工艺过程简单易控，经济合理。本发明的催化剂作为质子交换膜燃料电池阴极催化剂，具有良好的电化学活性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

（1）采用Sb对SnO₂进行掺杂，采用共沉淀法制备得到氧化锡锑ATO载体；

（2）将上述制备的金属氧化物ATO（20～60mg）均匀分散在10～30ml乙二醇溶液中，搅拌1～3h，超声10～30min；