[发明专利]一种直接液体燃料电池阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明给出了一种直接液体燃料电池阳极用极性电场功能核壳结构催化剂及其制备方法，涉及电化学催化材料领域。所述核壳结构催化剂以极性电场功能材料为核，以导电碳为外壳，在外壳上负载钯基或铂基催化剂。该核壳结构催化剂在直接液体燃料电池操作条件下，由于内核材料自身微观结构的低对称性或通过吸收外界热量而形成极性电场，作用于电解质溶液中的水分子，使其实时分解生成氢氧根，与催化剂表面吸附的一氧化碳发生反应，降低钯基或铂基催化剂中毒的可能性，从而提高催化剂的稳定性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及直接液体燃料电池的阳极催化剂，具体涉及一种直接液体燃料电池阳极用极性电场功能核壳结构催化剂及其制备方法。

背景技术

直接液体燃料电池（DLFC）由于使用液态有机小分子为燃料，如甲醇、甲酸等，拥有质子交换膜燃料电池的操作温度低、室温启动快、无电解质流失等优势，可避免氢氧燃料电池中因使用氢气而带来的安全隐患，且燃料资源丰富、价格低廉，同时DLFC无需通过有机小分子燃料的外重整处理，系统结构简单，操作方便，便于携带和贮存，可应用于多种领域，如：手机、笔记本电脑，甚至军事、航空等。然而，与氢氧燃料电池相比，DLFC的主要缺点是功率密度较小和使用寿命较短，尤其是使用寿命问题，制约了其商业化应用。影响DLFC使用寿命的主要因素之一是阳极催化剂的稳定性较差。导致催化剂稳定性差的原因主要为：在电氧化液体有机小分子的过程中会产生一氧化碳（CO）并吸附在催化剂表面，使催化剂中毒而失活。及时清除催化剂表面CO可能是有效的方法，其途径主要是通过实时产生OH根与CO发生反应，生成CO₂与H。目前采取的措施主要是在催化剂中引入容易使水解离的物质，如金属氧化物CeO₂或TiO₂、金属氢氧化物Ni(OH)₂、金属磷化物Ni₂P、或金属单质铱（Ir），等。这些物质在低电势下可使水解离为OH根吸附在催化剂表面。如Pd-Ni₂P/C催化剂，在循环伏安加速衰减实验后可使钯催化剂的甲酸电氧化活性能够保持在初始活性的60%，比纯钯金属要高3倍。但是，上述引入的化合物为接触型催化剂，只有与含水电解质接触才能够使水解离生成OH根，但由于上述化合物的导电性不够好，会影响电极材料的性能，制约了其稳定性。虽然Ir具有很好的导电性，但是Ir是地壳中最稀有的元素之一，不能满足大规模使用。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种直接液体燃料电池阳极用极性电场功能核壳结构催化剂及其制备方法，以实现直接液体燃料电池阳极催化剂的长期稳定使用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实施：

本发明的一个方面，是提供一种直接液体燃料电池阳极用极性电场功能核壳结构催化剂，其特征在于，该核壳结构催化剂以极性电场功能纳米材料为内核、导电碳为外壳，并在外壳上负载金属催化剂纳米颗粒。

所述的极性电场功能纳米材料内核为在20 ℃～100 ℃温度范围内具有极性电场功能的材料，包括电气石、碳化锆、麦饭石和黄土石中的一种或两种以上的混合物的极性电场功能材料，并经粉碎得到粒径为50 nm～500 nm的微细粉体。

所述的导电碳外壳是以含碳树脂为原料，在醇水体系中将含碳树脂分散并均匀地包覆在内核表面，经热解方法形成的厚度为10 nm～50 nm的导电性碳层。

所述的金属催化剂纳米颗粒为粒径大小为1 nm～20 nm的钯、铂、钯基双金属或铂基双金属催化剂。

所述的直接液体燃料电池以液态有机小分子如甲醇、甲酸或乙醇为燃料直接通入燃料电池内。

本发明的另一个方面，是提供一种直接液体燃料电池阳极用极性电场功能核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.选择所述的极性电场功能材料，用球磨法进行粉碎磨细，使其达到粒度要求，并对其进行洗涤预处理，得到极性电场功能材料内核A；