[发明专利]一种低铂核壳催化剂及其制备方法、燃料电池

说明书

本发明提供了一种低铂核壳催化剂，所述低铂核壳催化剂包括内核、包覆所述内核的中间层、包覆所述中间层的外壳所构成的复合体；所述复合体的粒径为3‑6nm。所述低铂核壳催化剂形成了“内核‑中间层‑外壳”的多层核壳结构，进一步控制所述复合体的粒径为3‑6nm，使所述低铂核壳催化剂的大小适中，保证该结构的催化剂催化活性最高，催化效果最佳。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种低铂核壳催化剂及其制备方法，还涉及一种应用该催化剂的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，实际为氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。

燃料电池催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极(MEA)的关键材料之一，决定了其放电性能和寿命。催化剂分为铂催化剂、低铂催化剂与非铂催化剂。由于PEMFC 工作温度不足100，对催化剂活性要求很高，因此，铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的催化剂。但是，采用铂催化剂存在以下问题：(1)铂资源匮乏：公开资料显示，全球铂金储量仅1.4万吨，铂金属的储存量非常少；(2)价格昂贵：铂是一种贵金属，价格昂贵，使用铂催化剂导致燃料电池成本居高不下，进而影响其商业化与推广普及；(3)抗毒能力差：铂基催化剂与燃料氢气中的一氧化碳、硫等物质发生反应会导致其失去活性，无法再进行催化作用，进而导致电堆寿命缩减，影响电池使用。

针对上述问题，目前现有的燃料电池三元合金催化剂专利中，专利公开号CN100537024C揭露了一种PtAuX合金催化剂，其中X选自过渡金属的一种或几种，其中 Pt含量为40-97％，Au含量为1-40％，X含量为2-20％，Pt和Au等贵金属的用量依然很高，且无法较好地提高该催化剂的使用寿命，不利于燃料电池催化剂的大规模商业化应用。

发明内容

本发明的其中一个目的是提供一种低铂核壳催化剂及其制备方法，解决现有技术中存在的低铂核壳催化剂催化性能差的问题。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明第一方面提供了一种低铂核壳催化剂，包括内核、包覆所述内核的中间层、包覆所述中间层的外壳所构成的复合体；所述复合体的粒径为3-6nm。

本发明的技术方案具有以下优点：本发明所述低铂核壳催化剂，所述催化剂的结构包括内核、包覆于所述内核的中间层、包覆所述中间层的外壳所构成的复合体；形成了“内核- 中间层-外壳”的多层核壳结构，进一步控制所述复合体的粒径为3-6nm，使所述低铂核壳催化剂的大小适中，保证该结构的催化剂催化活性最高，催化效果最佳。

在一些实施例中，所述内核为过渡金属中的一种，所述中间层为贵金属中的一种，所述外壳为铂；所述铂、贵金属和过渡金属的摩尔比为(1～3)：(1～3)：(3～8)。