[发明专利]直接甲醇燃料电池阳极催化剂Pt/MnO2-RuO2/CNTs及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及直接甲醇燃料电池阳极催化剂制备技术，具体涉及一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂Pt/MnO₂-RuO₂/CNTs及其制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，已受到世界各国的高度重视，其中直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究更令人关注。DMFC是质子交换膜燃料电池的一种，它以固体聚合物膜为电解质，直接使用甲醇（液态或气态）作为燃料，具有燃料来源丰富、储存方便、不需中间重整或转化装置，重量轻、体积小，能量密度高、环境污染小、操作安全、简单等优点；它们可用于动力电源、用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。

但目前直接甲醇燃料电池所用的阳极催化剂仍存在一些问题，主要包括：催化剂的电催化活性低及利用率低，从而导致成本提高；催化剂易中毒，从而导致催化剂的使用寿命短等问题。因此，提高催化剂的电催化活性和催化剂的利用率，增强催化剂的抗中毒能力已成为直接甲醇燃料电池研究急需解决的关键问题。

中国发明专利公告号CN 1171671C公开了“碳纳米管载铂钌系列抗CO电极催化剂的制备方法”，它采用碳纳米管为载体，运用原位化学还原均相沉积法，首先将Pt、Ru、Sn等离子分别制成配合离子，然后两种或三种配合离子混合在一起制成亚稳态胶体，再采用廉价的还原剂甲醛或硼氢化钠等，将亚稳态胶体还原沉积于碳纳米管上制成。该法需要先制备配合离子、制备亚稳态胶体等步骤，制备过程比较复杂，且在最后的还原步骤，Pt和Ru、Sn等离子均被还原为原子价态；此外，该专利未涉及MnO₂组分。本发明则采用RuCl₃和KMnO₄之间的氧化还原反应，不需外加氧化剂和还原剂而直接制备MnO₂-RuO₂复合材料。这样， RuO₂可以作为后续负载Pt的成核中心，使Pt的分散更加均匀，从而提高该催化剂的电催化活性和催化剂的利用率；同时，Pt与RuO₂的紧密接触可以提高催化剂的抗中毒能力。

中国发明专利公告号CN 1221050C公开了“直接甲醇燃料电池甲醇氧化电极制备方法”、中国发明专利公告号CN1123080C公开了“一类燃料电池阳极催化剂的制备方法”、中国发明专利公开号CN1601788 公开了“直接甲醇燃料电池阳极电催化剂的制备方法”、中国发明专利公开号CN1827211公开了“碳表面负载中空铂钌合金纳米粒子电催化剂及其制备方法”，这几个专利均涉及到燃料电池阳极催化剂的制备，但所制备的Pt、Ru或与其它离子或氧化物构成复合催化剂，Ru均以金属态存在，此外，所用催化剂的载体均未涉及具有独特性能的碳纳米管和具有良好质子传导性能的MnO₂。

申请人已经授权的中国发明专利ZL 200710030647.9，公开了“直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法”，它首先采用化学氧化沉积将RuO₂负载于碳纳米管上，然后再进行后续Pt的负载。该专利中制备的RuO₂/CNTs有利于Pt的负载和提高催化剂的抗中毒能力，但是，在RuO₂的负载过程中，需要加入氧化剂来进行氧化反应，同时也未涉及MnO₂组分。本发明则利用KMnO₄和RuCl₃自身的氧化、还原特性来实现RuO₂和MnO₂的一步同时负载，且不需外加氧化剂和还原剂。这样即可充分利用RuO₂来提高Pt的分散性能、催化活性和抗中毒能力；又可充分利用MnO₂良好的质子传导性能，来改善催化剂的质子传导性能，与载体CNTs良好的电子传导能力相结合，使得所制备催化剂的质子和电子传导相互协调配合。这样所制备的催化剂Pt/MnO₂-RuO₂/CNTs，既具有很高的催化活性、抗中毒能力，又具有良好的质子和电子传导平衡，从而具有优异的电催化氧化性能。

与现有的技术相比，本发明的直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法简单、更加环保，且操作可控性强。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的存在的不足，提供能直接甲醇燃料电池阳极催化剂Pt/MnO₂-RuO₂/CNTs。