[发明专利]用于燃料电池的阴极催化剂

说明书

本发明要求保护一种用于燃料电池的阴极催化剂及其制备方法。所述阴极催化剂为核壳结构，包括位于核中央的导电核、包覆在所述导电核外周的中间载体层和最外层的催化层；其中，所述导电核选自碳、非碳导电物或其组合，所述中间载体层由金属氧化物构成。本发明的阴极催化剂利用金属氧化物中间载体层，一方面保护导电层免受氧化腐蚀，从而延长催化剂的寿命；另一方面通过控制金属氧化物中间载体层表面棘突状形状，有效分散载体层表面的催化层纳米颗粒，从而减少其用量，同时改善由于在载体上发生迁移、团聚引起的催化性能衰减问题。

技术领域

本发明属于化学技术领域，具体涉及氢燃料电池，特别涉及贵金属氢燃料电池复合结构阴极催化剂。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。

而氢燃料电池以其可在较低温度下操作且环境友好的特性收到广泛关注，聚合物电解质燃料电池(PEFC)则作为氢燃料电池的代表之一同样受到日益关注。

PEFC中使用的催化剂主要为Pt基催化剂，Pt作为稀有金属极大增加了PEFC催化剂的成本。目前，推进PEFC商业化应用的主要工作集中在降低Pt负载量并提高Pt基催化剂的催化活性。

尤其现有技术的阴极电催化剂中，催化剂金属通常是直接分散在载体中，由于PEFC阴极发生氧还原反应(ORR)，生成氧化性较强的含氧物质，最后导致Pt/C复合电极材料一方面在含氧物质的作用下，生成CO和CO₂，另一方面造成催化活性Pt颗粒的脱落，降低了电池性能。为了解决现有技术的上述缺陷，本发明由此而来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题主要是针对现有技术中Pt/C复合电极材料存在的缺陷，提供一种燃料电池。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于燃料电池的阴极催化剂，其为核壳结构，包括位于核中央的导电核、包覆在所述导电核外周的中间载体层和最外层的催化层；其中，所述导电核选自碳、非碳导电物或其组合，所述中间载体层由金属氧化物构成，更优选地，中间载体层为掺杂金属氧化物。

本发明优选的技术方案中，中间载体层的导电氧化物外表面呈棘突状，这样能有效分散载体层表面的催化层纳米颗粒，从而减少催化金属用量，同时改善由于催化金属在载体上发生迁移、团聚引起的催化性能衰减问题。

本发明优选的技术方案中，导电核在催化剂中质量占比10-99％、中间载体层在催化剂中质量占比0.1-70％、催化层在催化剂中质量占比0.01-20％。更优选地，导电核质量比65-99％、中间载体层质量比0.1-30％、催化层质量比0.01-5％。

中间载体层的金属氧化物为氧化锡；更优选地，为掺杂氧化锡，掺杂元素选自钽、锑、铟中的一种或几种。优选地，掺杂元素占氧化物金属元素总摩尔百分比0.1-10％。

本发明优选的技术方案中，所述催化层选自单质铂、单质钯或单质钌金属微粒或含其中一种或两种以上金属的合金微粒。

本发明优选的技术方案中，所述催化层为复合金属核壳微粒，即内核选自钴、铁、镍、铜、铬金属中的一种或几种，外层选自铂、钯、钌金属等贵金属中的一种或几种；优选地，贵金属在合金复合结构体中的质量占比1-40％。

本发明优选的技术方案中，催化剂微粒优选为纳米金属纳米微粒，微粒大小为0.1-10nm。

所述导电核选自石墨烯、导电氧化物、碳纳米管、科琴黑中的一种或几种，优选为科琴黑。

本发明还提供了制备燃料电池的阴极催化剂的方法，包括如下步骤：