[发明专利]一种燃料电池催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种燃料电池催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述燃料电池催化剂包括表面具有含氧官能团的碳材料、分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物和分布于所述碳材料表面的金属Pt。本发明所述燃料电池催化剂中，高聚物填充到碳材料内部孔道中，即提高了燃料电池催化剂的抗腐蚀性，又可以有效防止贵金属粒子进入碳材料内部孔道，导致在碳载体内部的贵金属粒子表面较难形成有效的三相反应界面，提高贵金属粒子的利用率；而且本发明在碳材料表面引入含氧官能团，可以减少碳的憎水性，除此之外，含氧官能团还可以作为贵金属粒子的成核中心。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。

背景技术

燃料电池作为可再生新能源领域中的重要组成部分受到社会各界的广泛关注。首先，区别与众多的能量储存装置如锂离子电池和超级电容器等，燃料电池是一种优秀的能量转换装置，只要有源源不断的燃料供应，就能一直产生电能；相比于内燃机而言，燃料电池不受卡诺循环限制，能量转化效率大幅提高，而且燃料电池的阴极反应物为空气中的氧气，来源广泛，整个过程只产生电能、热量和水，不产生温室气体和任何污染。

尽管燃料电池设想在热力学上是可行的，但是其对应的缓慢的阴极氧还原反应动力学严重制约了自身的发展。因此，需要开发一种高效且稳定的阴极催化剂。铂基贵金属负载碳催化剂是目前最优的催化剂，但铂的价格昂贵和稀有性，提高铂的利用率和减少铂的用量是降低燃料电池成本的重要研究方向之一。

随着纳米技术应用到催化剂领域，理论研究发现，贵金属粒子尺寸越小，其比表面积越大，参与催化反应的活性位点越多；但大量案例表明，随着贵金属粒子尺寸进一步降低，整个催化剂的活性反而大幅度下降；进一步研究发现，贵金属粒子尺寸太小会进入催化剂碳载体内部孔道，孔道内部的贵金属粒子不能与质子导体、电子导体及反应气体接触，因此难以形成有效的三相反应界面，从而降低了铂的利用率；一般而言，参与反应的铂的比表面积越大，催化剂的活性越高。并且贵金属粒子分布在碳载体孔道内部，反应气体到达贵金属粒子的输送路径变长，气体的输送阻力增大；催化反应生成的水不易从碳载体内部排出，反应气体到达碳载体内部的贵金属粒子的输送阻力进一步增大。

CN200610019303公开了一种用化学置换法制备核壳催化剂的一种方法，所述方法包括：将非贵金属盐配制成溶液，加入一定量的表面活性剂，然后向混合溶液中加入过量的还原剂，制成非贵金属的纳米金属溶液，再向非贵金属的纳米金属溶液中加入贵金属盐溶液进行化学置换，得到贵金属包裹在非贵金属纳米颗粒表面的核壳结构催化剂溶液，得到非担载型核壳催化剂；最后在非担载型核壳催化剂溶液中加入碳载体进行吸附，得到担载型核壳催化剂。所述方法的催化剂仅靠吸附作用与碳载体连接，很容易在电化学反应过程中脱落，从而降低催化效率。

CN101722049B公开了一种经质子导体修饰并以导电聚合物为载体的催化剂及制备方法。其制备方法为：先将导质子聚合物溶液加入醇水混合液中，再加入催化剂中的金属前驱体盐溶液，制导质子聚合物修饰的金属纳米胶体；将导电聚合物单体加到所制得的胶体中，加入质子酸溶液至PH3，加导电聚合物单体的聚合引发剂使单体聚合，之后加入碳系材料，混合、过滤、干燥制得催化剂。但是所述催化剂电催化能力较差，而且反应气体的传输阻力较大。

因此，本领域需要开发出一种新型燃料电池催化剂，其具有优异的催化活性，且制备过程简单，可工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。本发明所述催化剂可有效降低铂的担载量，降低燃料电池催化剂的成本，具有较高的实际应用价值。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种燃料电池催化剂，所述燃料电池催化剂包括表面具有含氧官能团的碳材料、分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物和分布于所述碳材料表面的金属Pt。