[发明专利]一种燃料电池用非Pt催化剂、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电催化与能源转化技术领域，具体涉及一种燃料电池用非Pt金属电催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料(如氢气、甲醇、乙醇)和氧化剂(如氧气、空气)中的化学能直接转化为电能的装置。由于燃料电池的能量转化过程不受卡诺循环限制，使燃料电池成为学术界和实业界关注的焦点。更为重要的是，随着近年来经济和社会的持续发展，能源短缺与环境污染问题日益加剧，燃料电池具有排放少甚至“零排放”的优势，成为未来汽车、分散式电站和便携式电器的理想替代电源。

燃料电池通常由双极板，气体扩散层，电催化剂层和质子交换膜等四部分构成。电催化剂是燃料电池的关键材料之一，是电池反应的核心，也是燃料电池能否走向商业化的最关键因素之一(J.Am.Chem.Soc.125(2003)2408；Front.Biosci.10(2005)492；Nano Lett.4(2004)191；Electroanalysis 16(2004)145；Electrochem.Commun.4(2002)743)。一般认为，Pt是目前具有最高活性的单一金属催化剂。目前普遍采用的燃料电池催化剂均以贵金属Pt为主体(Langmuir 15(1999)7621；Chem.Mater.13(2001)312)。由于Pt的价格昂贵，资源匮乏，成为阻碍燃料电池商业化的一大障碍。为克服Pt金属价格和储量对燃料电池商业化的影响，目前，研究者主要集中于两方面工作。其一，降低燃料电池中Pt的负载量；其二，开发新型非Pt燃料电池催化剂。

Pt作为燃料电池催化剂也有本身的一些缺陷和不足：(1)虽然燃料电池的阴极反应—氧气的电催化还原反应在Pt催化剂上具有较高的活性，但也不是一个完全的4电子过程。这不仅会影响到燃料电池的发电效率和能量利用效率，同时，反应中间产物H₂O₂还会显著影响到质子交换膜的寿命和燃料电池催化剂的稳定性。(2)燃料中通常会含有一定量的CO等杂质气体，极易吸附在Pt金属表面，占据Pt表面活性位置，导致Pt催化剂“中毒”，而造成质子交换膜燃料电池效率大大降低。(3)燃料电池工作中不可避免会发生燃料渗透，这会在阴极Pt催化剂上发生反应，显著的影响到燃料电池的发电效率和电池的稳定性。因此，提高Pt的利用率，降低Pt用量甚至开发新型价格低廉的非Pt催化剂成为近年来燃料电池催化剂研究的主要方向。

为了降低燃料电池催化剂中Pt的含量，UTC燃料电池公司使用一种铂钴基催化剂作为燃料电池催化剂(Annual National Laboratory R&D Meeting of the DOE Fuel Cells forTransportation Program)，结果表明，这种催化剂可以提供更高的电压。在高电流密度区，这种优势更为明显。中国专利(CN101048902)报道了一种Pt和钴等贱金属组成的催化剂，这种催化剂制备的燃料电池具有较好的发电性能。国际专利(WO2006137302A1)公开了一种铂和碲金属作为活性组分的催化剂，这种催化剂也表现出较好的催化性能。但上述专利仍没有摒弃传统的高价、低储量的Pt金属。Ir作为燃料电池催化剂的活性组分也受到了研究者的广泛关注。日本专利(JP2005332662A)公开了一种O₂气氛下高温煅烧制备PtIr催化剂的方法，但这种催化剂仍没有摒弃高价、低储量的Pt催化剂。