[发明专利]一种高性能PtMTiO2NT/C燃料电池用催化剂、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池用电催化剂，其制备方法和应用。

背景技术

随着能源危机和环境污染日益严重，开发洁净高效的供能、储能系统迫在眉睫。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。由于燃料电池具有清洁、高效、可连续大功率放电的特殊性能而受到人们的广泛关注，世界各国都非常重视其技术的开发和应用，大力进行基础研究并促进产业化。

代表性的燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。迄今为止，燃料电池阴极、阳极上广泛使用的催化剂是Pt/C催化剂，由于目前铂催化剂存在成本高、易一氧化碳(CO)中毒、阴极上氧还原过电位高、铂利用率低、阳极对甲醇的电催化性能差、甲醇的渗透使阴极性能衰退等问题，它们是制约燃料电池商业化的关键问题之一。因此，研究开发高效、低成本、抗毒化、低过氧电位、高活性、高稳定性的电催化剂是目前燃料电池研究热点之一。

降低阴极氧还原过电位和提高催化剂对甲醇电催化氧化活性的途径之一是通过在铂原子中掺入过渡金属原子，形成双金属原子或多金属原子Pt-M表面，改善铂原子的催化性能。铂与3d金属(如Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等)的合金能提高催化剂对氧以直接4电子途径还原的催化活性，增强催化剂的稳定性，同时降低甲醇氧化中间体对Pt催化剂的毒化作用。在不损失催化活性的情况下用贱金属部分取代金属铂，有利于降低燃料电池催化剂成本。

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：1.催化剂分散性不好，颗粒不均匀、催化活性不够高，研究者通过碳载体处理、在铂中掺入不同的过渡金属元素的方法，制备二元、三元或多元合金，目的是尽量提高催化剂活性；2.过渡金属元素流失，导致催化剂稳定性下降，同时溶解的过渡金属离子可能会污染Nafion膜，降低整个电池性能。Pt-M合金催化剂中过渡金属元素流失主要原因有：①过量过渡金属在催化剂制备过程中沉积在碳载体上，②过渡金属与铂没有完全形成合金，③合金元素在电极内部酸性环境中，在燃料电池操作过程中溶解、流失；3.催化剂结构复杂，制备过程繁琐，条件难以控制。如：

文献[D.Thompsen，in：W.Vielstich，H.Gasteiger，A.Lamm(Eds.)，Handbook of FuelCells-Fundamentals，Technology and Applications，vol.3，Wilev.Chichester，UK，2003，p.467(Chapter 37)]报道在酸性环境中过渡金属元素的稳定性取决于元素的种类，一般Pt-Cr和Pt-Co合金催化剂稳定性要好于Pt-V，Pt-Ni和Pt-Fe。

文献[Li Wenzhen，Zhou Weijiang，Li Huanqiao，et al.Electrochim Acta，2004，49：1045]报道合金催化剂中过量的、未形成合金的、或溶解的过渡金属阳离子与磺酸集团进行离子交换，降低离子聚合物/膜的传导率，从而可能会影响燃料电池性能。

文献[Zhenhua Zhou，Suli Wang，Weijiang Zhou，et al.Chem.Comm.，2003，394～3957报道采用微波法制备Pt/C催化剂可以大大缩短反应时间，同时调节EG/水的比例可以控制催化剂颗粒的大小和粒径分布范围。但该方法是否适用于PtM/C合金催化剂的制备还有待于进一步研究。

中国专利CN200710047694.4采用微波法制备了PtNiTiO₂NT/C燃料电池用催化剂，由于催化剂采用微波法制备后没有进行适当热处理，存在Pt合金化程度小，催化剂的稳定性不好、催化活性不够好、合金元素的流失的问题。本专利对催化剂前驱体经过一定的热处理，可以提高催化剂的活性和稳定性。

发明内容

本发明的目的是公开一种燃料电池用电催化剂及其制备方法。