[发明专利]一种非铂核-壳结构燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化剂，尤其是涉及一种非铂核-壳结构燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

能源的生产与消费关系到全球的气候变化。目前，80%的能源消耗依靠化石燃料—煤和石油。然而，传统的能源消耗存在如下弊端：煤和石油是不可再生资源，会很快被用尽；由于传统热机实现能量转化受到卡诺循环的限制，燃烧相对于能源的利用率很低；大量化石燃料的燃烧所产生的大量二氧化碳以及CO_x、NO_x等污染物，造成温室效应以及酸雨等严重的环境问题。传统的能源结构和低利用率无法满足未来社会可持续发展对高效、清洁、经济、安全能源的需求。

低温燃料电池具有清洁、高效、安全、可移动、操作条件温和以及未来产业化具有发展潜力等优点备受世界各国的重视。成本高是目前困扰燃料电池商业化的最主要问题，其中催化剂的成本占很大的比重。设计和构筑核壳结构是最有希望大幅度替代目前用量巨大的贵金属催化剂的选择。核壳结构纳米粒子具有特殊的电子结构及表面性质，通过核金属与壳金属之间电子结构的互动调变，使新的粒子属性产生质变，表现出独特的催化性能，因而其在催化等领域的应用日益受到重视。

中国专利CN 101664685A公开了一种两步化学还原法制备了PdFePt/C核壳结构催化剂，在0.4V(Ag/AgCl)时PdFePt/C催化剂单位铂质量的氧还原活性电流为126mA mg^-1Pt，大约是商业Pt/C催化剂的4倍。

Zhou小组（Electrochemistry Communications，2007，9，1725–1729）报道了一种连续还原方法制备出的AuPd/C核-壳结构催化剂，Au核与壳层Pd的相互作用极大地促进了壳层表面的吸附的CO中间产物快速氧化，该催化剂的甲酸催化活性是传统碳负载钯纳米晶Pd/C的2倍。

上述方法制备的核壳型催化剂均不同程度地改善了电极中贵金属Pt的利用率及催化性能。然而，对于成本、核组成、晶粒大小和微观结构缺乏更精确的控制，特别是在保持原有催化性能的同时进一步大幅降低贵金属Pt或者用其它比Pt便宜的贵金属来代替Pt的使用量存在技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非铂核-壳结构燃料电池催化剂及其制备方法。

所述一种非铂核-壳结构燃料电池催化剂，其载体为活性碳，活性组分为FePd，所述活性组分FePd的纳米晶铁与钯的摩尔比为5∶1，活性组分FePd占非铂核-壳结构燃料电池催化剂总质量的40%～50%。

所述一种非铂核-壳结构燃料电池催化剂的制备方法的具体步骤如下:

首先，将活性炭溶解于超纯水中，超声后通入保护气，再加入还原剂，然后加入铁盐水溶液，反应后加入钯盐水溶液进行置换反应；反应结束后，过滤，洗涤，干燥，即得以纳米晶铁Fe为核，薄层纳米晶钯Pd为壳的非铂核-壳结构燃料电池催化剂FePd/C。

所述活性炭、超纯水、铁盐水溶液、钯盐水溶液的配比可为（10～15）mg∶（6～10）mL∶（2～3）mL∶（0.58～0.68）mL，其中活性炭以质量计算，超纯水、铁盐水溶液和钯盐水溶液以体积计算；所述铁盐可采用氯化亚铁、硫酸亚铁等中的一种；所述钯盐可采用氯化钯、氯钯酸等中的一种；所述超声的时间可为30～60min；所述铁盐水溶液的浓度可为0.09M；所述钯盐水溶液的浓度可为1g/100mL；所述保护气可采用氩气或氮气等；所述还原剂可选自硼氢化钠或乙二醇等；所述洗涤可采用超纯水洗涤3～5次；所述干燥可于50～70℃真空下干燥2～4h。

还原后的纳米晶钯覆盖在碳负载铁纳米晶的表面，形成以以纳米晶铁Fe为核，薄层纳米晶钯Pd为壳的核-壳结构催化剂。

本发明提供的一种非铂核-壳催化剂及其制备方法，具有以下优点：

1）本发明的核壳结构FePd/C催化剂的电催化活性是传统碳负载钯纳米晶Pd/C催化剂的10.63倍,是商业Pt/C催化剂的23.05倍。

2）本发明的燃料电池催化剂PdPt/C的成本低。

3）本发明燃料电池催化剂的制备方法简单易行，催化剂的颗粒尺寸容易控制，适于进行大批量工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例所制备的Pd/C催化剂的TEM照片。在图1中，标尺为50nm。

图2为本发明实施例所制备的FePd/C(摩尔比Fe∶Pd=5∶1)催化剂的TEM照片。在图2中，标尺为50nm。