[发明专利]一种醇类燃料电池的阳极催化剂

说明书

本发明公开了一种醇类燃料电池的阳极催化剂，所述的催化剂为导电碳材料上的碲化钌负载的活性铂基纳米颗粒，所包含的醇类氧化反应有酸性醇类氧化和碱性醇类氧化反应。所述的制备方法包括导电碳材料上碲化钌晶体的生长以及碲化钌晶体周围铂基金属纳米颗粒的生长。本发明通过将碲化钌晶体作为铂基金属纳米颗粒生长过程中的锚定点，得到的碲化钌负载的铂基金属纳米颗粒，在催化醇类氧化反应时，具有高催化活性，稳定性和抗中间体毒化能力，且能够很好地解决铂钌基催化剂在酸性电解质中存在的钌溶出严重的问题，在醇类电氧化反应和便携式燃料电池中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种用导电碳材料上碲化钌负载的铂基金属纳米颗粒作为醇类燃料电池的阳极催化剂。

背景技术

燃料电池是直接将化学能转化为电能的装置，其具有能量密度高，能量转换效率高，低污染排放等优点，被人们认为是最有希望取代传统化石燃料的可再生能源。在多种燃料电池中，直接醇类燃料电池具有高能量密度，低污染排放和危险性等优点，因此作为汽车和便携设备的替代能源被广泛关注。但醇类燃料的氧化过程十分复杂和缓慢，开发高效的醇类氧化催化剂对实现燃料电池技术商业化具有重要意义。一直以来，铂被认为是最有效的单金属醇类氧化催化剂，但是其作为贵金属资源稀缺，生产成本高，且表面容易吸附毒性中间体导致催化活性和稳定性下降。目前，铂钌基催化剂是人们发现的最有效的醇类氧化催化剂体系。这是由于铂钌合金的形成能够通过一种双功能机理降低反应中间体的毒化作用。然而，在实际催化反应过程，尤其是在酸性电解质中，金属Ru存在严重的溶解问题，导致催化剂催化活性和稳定性不断降低。

对于铂钌基催化剂体系，目前已有许多开创性的探索和研究。例如，在铂钌二元体系中引入过渡金属元素，形成铂钌铜六足合金[ACS Catal. 2018, 8, 7578−7584]和铂钌镍纳米框架[J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 2547–2552]等等，通过铂钌和过渡金属元素之间的协同作用，提高催化剂的催化活性和稳定性。也可以在催化剂的制备过程中，通过改变反应条件，得到具有特殊形貌的铂钌基催化剂，如纳米多孔的铂钌催化剂[CN 109326799A]，立方体铂钌核壳纳米晶[CN 105522168 A]和空心球链结构银-铂钌复合材料[CN108736029 A]等等,提高催化剂活性面积和抗中毒能力。然而，目前大多数研究倾向于将铂钌形成合金。相关研究指出，铂钌双金属合金并不是最理想的醇类氧化催化剂形式。在直接甲醇燃料电池中，铂钌合金对甲醇的氧化活性比含有铂金属和水合钌氧化物(RuOxHy)的混合相电催化剂要低几个数量级。这说明要实现甲醇氧化的高活性，需要的是大量的具有电子-质子导电性的水合钌氧化物(RuOxHy)[ J. Phys. Chem. B 2000, 104, 9772-9776]。

发明内容

本发明的目的是提供一种醇类燃料电池的阳极催化剂，该阳极催化剂具有高催化活性，稳定性和抗反应中间体毒化能力，且可以很好地解决铂钌基催化剂中金属钌溶解的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种醇类燃料电池的阳极催化剂，该阳极催化剂以导电碳材料上碲化钌作为载体，负载物为铂基金属纳米颗粒。

进一步的，铂基金属纳米颗粒的负载量为20-60%。

进一步的，铂基金属纳米颗粒包括铂单质，铂与过渡金属（铁，钴，镍，锡，钨，钌）合金等。

进一步的，阳极催化剂的载体为导电碳材料生长的碲化钌晶体。

进一步的，导电碳材料为石墨烯纳米片，也可以为炭黑Vulcan XC72、碳纳米管和多孔碳球中任意一种。

本发明还提供上述醇类燃料电池的阳极催化剂的制备方法，其步骤如下：