[发明专利]用于甲酸、甲醇电催化氧化的催化剂及制备方法、应用

说明书

本发明涉及用于甲酸、甲醇电催化氧化的催化剂，该催化剂以碳基材料为催化剂载体，负载多组分金属及多组分金属氢氧化物制成二元或三元金属多层“三明治”结构负载型催化剂，记作：NM/TM/TM(OH)₂/C或NM‑NM/TM/TM(OH)₂/C，其中NM为Pt、Pd、Ru、Au、Rh、Ir或Ag贵金属中的一种或多种，TM为Ni、Co、Cu或Fe过渡金属中的一种或多种，其中NM负载量为0.1wt％‑8wt％，TM负载量为1wt％‑30wt％；并提供了该催化剂的制备方法及应用方法；本发明的催化剂甲酸、甲醇氧化反应速率高、CO抗毒性好、成本低、节能环保、无毒无害、反应温度低。

技术领域

本发明属于燃料电池电催化技术领域，尤其涉及用于甲酸、甲醇电催化氧化的催化剂及制备方法、应用。

背景技术

甲酸及甲醇是重要的能源物质，甲酸及甲醇燃料电池具有无毒、不易燃、储运方便和电化学活性、能量密度、质子导电率高，对质子交换膜有较小的透过率，在较低温度下可产生较大的输出功率密度等优点，广泛用于燃料电池领域。目前，工业上阳极氧化甲酸及甲醇的催化剂主要有：(1)商业Pt/C催化剂；(2)商业PtRu/C催化剂；(3)商业PtNi/C催化剂；(4)商业PtSn/C催化剂。其中商业Pt/C催化剂是最早的氧化甲酸及甲醇的商业催化剂，但是商业Pt/C催化剂具有稳定性差、反应活性不高、价格昂贵、贵金属Pt原子的利用率低等一系列的缺点。目前我国大部分厂家采用商业PtRu/C催化剂作为阳极氧化甲酸及甲醇的催化剂。

经查阅大量文献和专利得知，甲酸及甲醇燃料电池电催化剂体系根据其不同活性位的种类，主要分为Pt基(包括Pt-合金催化剂，如PtRu/C或PtPd/C、PtNi/C、PtSn/C催化剂等)、Ru基、Pd基、Ni基及多元金属(如PtRuNi、PtPdNi等)催化剂，另外，还有Co、Ag、Au、Ru、Ir、Rh等金属催化剂。以上催化剂具有各自的优缺点，比如，催化反应活性不高、稳定性低或催化剂成本高等。此外，甲酸及甲醇催化氧化常作为典型的模型反应用于评价催化剂各项性能指标，开展相关基础研究。因此，电催化甲酸及甲醇的研究具有重要的应用与理论价值。

当前工业上甲酸及甲醇氧化的催化剂主要包括Pt基(包括Pt-合金催化剂，如PtRu/C或PtPd/C、PtNi/C、PtSn/C催化剂等)、Ru基、Pd基、Ni基及多元金属(如PtRuNi、PtPdNi等)催化剂等。其中多元金属研究较多，如专利“一种直接甲醇燃料电池电催化剂的制备方法”(申请号为200710032805.4)，公布了一种直接甲醇燃料电池Pt-基电催化剂的制备方法，无需表面活性剂、稳定剂或功能分子等，金属颗粒在常温下不会团聚，且在碳纳米管表面高密度小粒径负载。纳米催化在电催化中扮演着重要角色，如在甲醇燃料电池中，纳米催化剂的研制已成为主要趋势。如文献：李奇,et al.高性能Pt纳米管中管电催化剂在甲醇燃料电池中的应用化学学报2017(2)，通过ZnO模板辅助的电沉积方法设计和合成了Pt管中管阵列，作为一种具有利用率高、活性物质传输快的三维结构的电催化剂，提高了甲醇氧化电催化活性和稳定性。但是大部分文献都采用单金属或多元金属合金催化剂电催化氧化甲酸甲醇。

因此，基于这些问题，提供一种催化反应速率高、稳定性高、成本低、节能环保、无毒无害、抗毒性好的电催化氧化甲酸甲醇的催化剂及催化方法，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种催化反应速率高、稳定性高、成本低、节能环保、无毒无害、抗毒性好的电催化氧化甲酸甲醇的催化剂及催化方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：