[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池阴极的电催化剂及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种质子交换膜燃料电池阴极的电催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料(如氢气、甲醇)和氧化剂(如氧气、空气)的化学能直接转化为电能的装置。由于能量转化不受卡诺循环的限制、环境友好等特点，燃料电池正在逐渐成为新世纪能源领域的主流产品。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种，因其能量转化效率高、清洁无污染、可在室温下快速启动等优点，已经成为移动电源，尤其是电动汽车的动力源的理想电源。由于技术上的不断进步，工业化和商品化的趋势日益明显。电催化剂成为制约质子交换膜燃料电池商品化应用的重要因素之一，究其原因在于：(1)电催化剂通常为Pt等贵金属及其合金，其价格昂贵且资源匮乏；(2)电催化剂利用率低(通常在10～30％之间)导致的积累效应，使催化剂总体成本大大超标。为了降低PEMFC的成本，减少对地球上有限的铂资源的消耗，加快实现PEMFC的商业化，开发一种既有较高催化活性又价格低廉的非贵金属催化剂非常必要和迫切。

到目前为止，已有许多工作者报道了此类催化剂，但这些催化剂一般存在以下不足：催化剂结构复杂，制备过程繁琐，条件难以控制。如：

中国专利(CN：1387274)描述了一种燃料电池阴极非铂复合催化剂。发明人主要利用过渡金属大环化合物对氧还原的较高活性和TiO₂的半导体性质以及TiO₂催化H₂O₂分解的性质，通过溶胶—凝胶法和浸渍沉积法制备了碳载二氧化钛—过渡金属大环化合物，该催化剂与相应的过渡金属大环化合物催化剂相比，有较好的稳定性，与铂/炭催化剂相比，耐甲醇能力强、成本低。。

中国专利(CN：1472212)描述了一种新的取代卟啉金属配位化合物电催化剂。该催化剂是模拟生物酶催化剂设计合成的。其用途是用于直接醇类燃料电池的阴极催化剂。

美国专利(US：6245707)描述了一种用于燃料电池阴极的电催化剂。该催化剂是通过将至少两种含不同过渡金属的氮络合物混合在一起，并经热处理而获得的。其中氮络合物为金属卟啉，优先过渡金属为铁、钴、镍、铜、锰、钌、钒和锌。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于PEMFC阴极的电催化剂及其制备方法；该催化剂活性高、制备过程简单，活性组分价格低廉、资源丰富、分布均匀。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池阴极电催化剂，以元素周期表中的第IVB、VB、VIB、VIII族中的一种或一种以上过渡金属元素的磷氧化物为活性组份，余量为载体。其中活性组份中含有金属元素Ru、Mo、W、Zr、Cr、V、Ta、Fe、Co、Ni、Ti中的一种或一种以上，其在催化剂中的质量百分含量为0.5％～20％。

所述第IVB、VB、VIB、VIII族中的一种或一种以上金属元素的磷氧化物为Ru、Mo、W、Zr、Cr、V、Ta、Fe、Co、Ni、Ti的磷氧化物，其含量为催化剂总重量的0.8％～50％，其结构通式为MP_yO_z，其中：M为过渡金属元素，0.5≤y≤2，2.25≤z≤6。

所述具有较好氧还原活性和稳定性的PEMFC阴极电催化剂的制备过程包括以下步骤：

1)按照过渡金属与元素P的摩尔比为0.5～2的比例将金属可溶性前驱物、磷酸盐添加到溶剂中，混合均匀，溶剂在总溶液中的质量比为5～90％；

2)将PH值调节剂(其与过渡金属元素的质量比为70～80)和表面活性剂(其与过渡金属元素的质量比为2～4)溶解到溶剂中，与步骤1)混合溶液混合均匀，溶剂在总溶液中的质量比为20～90％；

3)将载体(其与过渡金属元素的质量比2～195)与步骤2)混合溶液混合均匀，利用众所周知的高分散催化剂制备方法如初湿法、浸渍—还原法、胶体法、溶胶凝胶法、保护剂法等方法将活性组分均匀的分散在载体的表面；

4)将步骤3)混合物经陈化、分离后，在80℃～120℃的条件下，干燥3～24小时；

5)在H₂/惰性气体(如：He、Ar、N₂)的气氛下，将上述干燥后的混合物在300℃～700℃下焙烧1～6小时，得到产物。

所述PEMFC阴极电催化剂的制备过程是在同样的溶剂体系下进行的，