[发明专利]一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术和催化剂制备技术，具体地讲涉及一种燃料电池阴极催化剂。

背景技术

燃料电池具有能量转化效率高，易启动，对环境污染小等优点，被认为是未来最佳的“清洁能源”，许多国家政府都投入巨资对其进行研究。尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)，由于它可以用作电动车辆的动力源、分布式电站以及便携式可移动电源，而在近年来受到世界各国的广泛关注，其关键技术也得到了快速发展。

现阶段应用于质子交换膜燃料电池的阴极氧还原催化剂多为Pt/C催化剂，但其成本高，相对于PtM/C(M＝Fe、Co、Ni、Pd、Zr等)及PtMOx(M＝Ti、Mo、W、Ce等)的氧还原活性低、耐酸性及热稳定性差。

随着近二十年纳米金催化剂技术的不断进步，纳米金具有许多特殊的催化性能，越来越受到研究者的重视。特别是其在燃料电池电催化剂中的应用，成为金催化剂的一个研究热点

Chuan-Jian Zhong等人(文献1：“Activity-composition correLation of AuPtalloy nanoparticle catalysts in electrocataLytic reduction of oxygen.”ELectrochem.Commun.2006，8：581-587)报道用两相法合成了碳载的2nm AuPt纳米粒子，在酸性环境中对氧还原具有活性。

J.Zhang等人(文献2：“Stabilization of Platinum Oxygen-ReductionElectrocatalysts Using Gold Clusters”，Science，2007，315：220222.)报道了电迁移将纳米金簇沉积在Pt/C催化剂上得到Au/Pt/C催化剂，这种催化剂由于Au的存在起到了抑制Pt在氧还原过程中的溶解腐蚀，增强了Pt催化剂在氧还原反应中的稳定性。

对于合金催化剂来说，满足活性组分在原子尺寸上接近、粒子大小为纳米级且粒度和组成分布都均匀的条件时，催化剂能表现出优异的性能。

目前燃料电池电催化剂的载体主要采用导电活性碳材料，由于导电陶瓷具有导电性好，化学稳定性高，耐腐蚀性好，微孔少，可把催化剂锚定在载体表面的特点，例如，TiC，SiC，TiB₂，TiO₂等有可能成为燃料电池电催化剂的载体材料。

为了适合商业化大批量生产并于质子交换膜燃料电池中得以应用，PtM/C催化剂的制备过程还有待改进，现今它们多以浸渍法、液相还原法和胶体法制备，这几种方法均存在不同程度的缺陷。例如，浸渍法制备的催化剂粒径大、粒度分布不均匀，而且金属的一次担载量不能太高，若想制备高载量的催化剂需多次浸渍完成，特别对于金催化剂浸渍法得到的粒子都较大而且分布不均；液相还原法一般用还原剂在一定温度下还原催化剂活性组分而后使其担载在碳载体上，此法通常采用传统的对流加热，存在加热不均匀和反应速率慢等缺点；胶体法主要是通过制备相对稳定的金属氧化物胶体，然后沉降或转移到载体上，再经其他过程制得催化剂，此种方法制备周期长，过程不易控制。

可见，开发安全、简易、快速、高效的制备工艺，合成满足燃料电池使用要求的高活性氧还原催化剂，是实现催化剂生产工业化必须考虑的一个因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池阴极催化剂，该催化剂通过加入Au与过渡金属M不仅降低了催化剂中Pt的含量，同时具有良好的氧还原催化活性。

本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，其具有工艺流程简单、耗时少，成本低，能将活性组分一次同时负载于载体，可以得到高金属担载量的催化剂的特点，并且制备过程中使用的溶剂、还原剂和分散剂安全、无毒，对环境无污染。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池阴极催化剂，该催化剂活性组分为Pt、Au和M，其中M是选自过渡金属的一种或几种单质，活性组分总含量为10～60wt％，其余为导电性载体，该催化剂可由下述方法制备获得：将导电性载体与溶剂混合得浆料；将Pt、Au和M的可溶性前驱物溶解于溶剂中，搅拌得到溶液；将步骤上述浆料与溶液混合，加入碱金属或碱土金属的盐溶液，调节混合浆料的pH值为9~14；将混合浆料用微波加热1~30分钟，冷却后，加入酸性溶液调pH值为0~6，在10~50℃搅拌条件下处理2~5小时，得到浆料；洗涤，干燥，得到固体粉末；将固体粉末在惰性气氛或还原性气氛中，在200~900℃下处理1~8小时，冷却后，得本发明的催化剂。