[发明专利]燃料电池用核壳结构双效氧电极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种核壳结构纳米催化剂的制备方法，尤其涉及一种可应用于一体式可再生燃料电池的核壳结构双效氧电极催化剂的制备方法。

背景技术

随着化石能源的耗竭以及太阳能、风能等可再生能源的发展，可再生燃料电池(RFC)作为一种储能体系在陆地以及空间上的应用受到了世界各国的高度重视。它能与风能、太阳能等可再生能源相配合，实现自给工作，而且具有储能容量大，比能量高，无自放电，环境污染小，可靠性及维修性好等优点，是极有希望在空间、军事以及可移动电源领域替代传统二次电池的储能系统。

按照燃料电池和电解池两个部件的不同组合，RFC可以分为分体式和一体式(URFC)。一体式再生燃料电池(URFC)可以在同一组件上实现燃料电池和水电解的双重功能，最大限度的提高了RFC的质量和体积比功率和比能量，是可再生燃料电池中最先进的一种技术，在对重量要求极其严格的空间领域有着极为广阔的前景。

URFC的关键材料之一是双效氧电极催化剂，它既要有高的氧还原催化活性也要有高的析氧活性，是目前的研究热点之一。传统的双效催化剂是将Pt黑与Ir或Ru的氧化物进行物理混合得到的(C.Alan，M.Oliver，C.Eric，US Patent 20030068544)。由于Pt黑和Ir、Ru氧化物不容易在溶液中分散均匀，往往存在各自的团聚现象，导致催化层中Pt黑和Ir、Ru氧化物之间的结合较差，影响了电子的传导，进而影响了氧电极的整体性能。改进方法是将Pt黑作为载体，将Ir、Ru氧化物沉积到Pt上，提高了催化剂的分散性和两种组分之间的结合力，保证了较好的电子通路，该方法得到的双效催化剂的性能高于传统物理混合法(Y.Zhang et al./International Journal of Hydrogen Energy，32，2007，400-404)。如果以Ir、Ru氧化物作为载体，将Pt沉积到上面，由于Ir、Ru氧化物的电导率较低，会在某种程度上影响双效催化剂的氧还原活性。

虽然上述尝试在一定程度上提高了双效催化剂的性能，但是Pt黑的氧还原质量活性较差，而且Pt黑或Ir、Ru氧化物本身不容易分散均匀，因此均不适合作为催化剂载体，难以保证催化剂在高担载量下具有高的分散度。因此，贵金属利用率都太低，成本过高。中国专利“一种燃料电池双效氧电极催化剂浆料及应用和应用(申请号：200910010087.X)”提出的制备方法是用化学还原法将析氧催化剂担载在氧还原催化剂的表面，得到的催化剂实现了氧还原催化剂与氧析出催化剂的充分混合，提高了纳米粒子的分散度。但是该方法使用水热反应法，反应条件较为苛刻，制备步骤稍显繁琐。

目前，制备核壳结构催化剂是提高单位质量催化活性，降低催化剂担量的有效方法之一。本发明利用水溶性烷基铵盐或水溶性嵌段共聚物作为保护剂，先以强还原剂制得核心金属Ir纳米粒子，然后在弱还原剂的作用下将Pt沉积到Ir表面上，得到的IrPt核壳结构催化剂具有特殊的纳米枝晶形貌，粒径分布在10-20nm，该制备方法简便有效，反应条件温和，得到的双效催化剂表现出优异的氧还原及析氧活性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可用于一体式可再生燃料电池的核壳结构双效氧电极催化剂的制备方法。

本发明包含以下步骤：

(1)在去离子水中，加入水溶性表面活性剂，搅拌，使之完全溶解，溶液中表面活性剂的质量分数为0.1％-2％；

(2)在上述溶液中，加入Ir前躯体，搅拌均匀，使得溶液中Ir前驱体的摩尔浓度为0.2-10mmol/L；

(3)将强还原剂加入上述溶液中，在50-90℃下反应2-6h；强还原剂与Ir的物质的量之比为100∶1-10∶1；

(4)将水溶性Pt前躯体加入上述溶液中，使得Pt与Ir元素的物质的量之比为1∶1-1∶6；

(5)将弱还原剂加入上述溶液中，使得弱还原剂与Pt的物质的量之比为2∶1-100∶1，在20-90℃下反应3-8h；

(6)反应结束后，离心分离，然后依次用乙醇和去离子水洗涤3-5次，得到IrPt核壳结构纳米粒子。