[发明专利]多壳层结构的燃料电池用合金催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明特别涉及多壳层结构的燃料电池用合金催化剂及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域，催化剂包括：催化剂本体，所述催化剂本体具有核壳结构；和保护层，所述保护层包括碳层，所述碳层包覆于所述催化剂本体；在碳球外又负载了一层碳壳，在催化剂刚开始工作时，主要是碳壳外的铂颗粒起催化作用，当外壳碳被腐蚀，及铂颗粒发生奥斯特瓦尔德熟化后，核壳结构的催化剂主要起催化作用，这大大延长了催化剂的耐久性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及多壳层结构的燃料电池用合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池是将氢能转化为电能的发电装置，其主要部件为膜电极，在膜电极中其重要作用的是催化剂，它能够催化氢气与氧气发生反应，使其将化学能转化为电能。目前，市场上常用的催化剂为Pt/C催化剂或是铂合金催化剂。催化剂的催化活性以及催化剂的耐久性能是评判催化剂性能的两个重要指标。Pt/C催化剂相较于铂合金催化剂，因其对铂原子的利用率较低，因此催化活性逊于铂合金催化剂。铂合金催化剂是将钴、镍、铁、铜、钯等过渡金属掺杂至铂的晶粒中，以提升铂的催化活性，但合金的稳定性一般低于铂，其在使用过程中易发生溶解，导致整个铂晶面的坍塌，反而使催化剂的活性下降，即初始性能较高，但耐久性较差。

现有技术中，如中国发明专利申请CN107275646B一种核壳结构的质子交换膜燃料电池催化剂及其制备方法发明了一种二维层状材料黑磷烯包覆贵金属催化剂的核壳结构燃料电池催化剂，该催化剂能够解决催化剂二氧化硫中毒的问题，并在一定程度上提升催化剂的性能与耐久。该发明核壳结构的壳主要为二维层状的黑磷烯，该材料具有一定的导电性，但该材料对ORR反应没有催化能力，并不能在此层提升催化剂的催化能力，并且该层的存在无法解决催化剂在运行过程中发生的碳腐蚀以及Pt的奥斯特瓦尔德熟化，因此对催化剂的耐久性能没有提升。中国发明专利申请CN110931805B一种铂合金催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用发明了一种铂合金催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用，该方法无需大量有机溶剂，反应条件温和，在水溶液中以无毒、温和的葡萄糖为主还原剂，通过引入第二种温和的还原剂进一步协同分散和还原，制备出高效氢燃料电池催化剂。该方法合成出的铂合金催化剂虽然提升了催化剂的电化学催化活性，但并没有提升催化剂的耐久性能。

发明内容

本申请的目的在于提供多壳层结构的燃料电池用合金催化剂及其制备方法和应用，以解决目前的催化剂耐久性较差的问题。

本发明实施例提供了一种多壳层结构的燃料电池用合金催化剂，所述催化剂包括：

催化剂本体，所述催化剂本体具有核壳结构；和

保护层，所述保护层包括碳层，所述碳层包覆于所述催化剂本体的至少部分表面。

可选的，所述保护层还包括铂颗粒，所述铂颗粒附着于所述碳层的至少部分表面。

可选的，所述催化剂本体包括：

核心层，用以支撑整个催化剂，所述核心层的材料包括碳；

合金层，用以起到催化效果，所述合金层的材料包括铂合金。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的多壳层结构的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

把催化剂本体、成壳剂和溶剂进行混合，得到混合溶液；

把所述混合溶液进行烘烤，得到催化剂。

可选的，所述成壳剂和所述催化剂本体的质量比为1：0.1-1。

可选的，所述催化剂本体的制备方法包括：

把炭黑、氯铂酸、氯化钴、络合剂和溶剂进行混合反应，后进行烘烤，得到催化剂本体。