[发明专利]一种非贵金属复合催化剂、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种非贵金属复合催化剂、制备方法及其用途，属于复合催化剂技术领域。

技术背景

氢氧燃料电池是一种高效、无污染的化学电池。电池工作时，向负极提供氢气，向正极提供空气或氧气。经电极催化作用，氢气失去电子被氧化成氢离子（质子），电子经过外部电路，产生电流并到达正极，在正极与氧原子和氢离子结合为水。因此，只要给负极不断提供氢气，给正极不断提供空气或氧气，就可以持续地提供电源。氢氧燃料电池能直接把化学能转化为电能，能量转化效率可达60-80%，理论比能量高达3600瓦时/千克（Wh/kg）。由于电池反应后只产生水和能量，因此，它是一种环保、无污染、高比能量的理想电池。而氢氧燃料电池汽车是真正能实现零污染、零排放（无CO、CO₂、S和微粒排放物）的清洁完美的一种新能源汽车。欧美日各国对氢氧燃料电池汽车作为将来汽车动力的研发投入大量资金。例如，英国政府大力发展氢氧燃料电池汽车，计划在2030年之前氢氧燃料电池汽车保有量达160万辆，在2050之前市场占有率达到30-50%。

氢氧燃料电池在过去的几十年中已广泛被研究，诸多的技术问题也逐渐被攻克并取得了许多进展。例如氢气贮存技术及安全性已逐步得到改进和完善，电极催化剂中的贵金属铂及其合金的含量从原有的8.0毫克/平方厘米（mg/cm²）降至约0.1毫克/平方厘米（mg/cm²）；或者说，贵金属铂含量由原有的19克/千瓦（g/kW）降至0.9克/千瓦（g/kW）。尽管如此，氢氧燃料电池作为动力电池，其成本仍然太高，仍然是阻碍氢氧燃料电池汽车发展的最大瓶颈。贵金属铂催化剂的用量虽已显著减少，但按全球汽车年产量的5%为氢氧燃料电池汽车计算，用于氢氧燃料电池贵金属铂的数量就高达40吨/年，占全球贵金属铂年用量（约160吨）的四分之一。可见贵金属铂基催化剂限制了氢氧燃料电池的广泛应用，是发展氢氧燃料电池的主要障碍之一。此外，碱性氢氧燃料电池虽可避开贵金属铂作为催化剂，但在氢电极中大量使用雷尼（Raney）镍和银，也导致电池电极的成本偏高，使之难以大规模应用推广。

发明内容

本发明的目的是为了克服氢氧燃料电池使用贵金属铂基或Raney Ni/Ag催化剂而导致氢氧燃料电池成本居高不下的缺点，提供一种同时具有氢吸收与氢氧化的双功能的非贵金属复合催化剂、制备方法及其用途。

本发明的技术方案如下：

本发明的非贵金属复合催化剂由稀土合金与高分子材料混合构成的粉状结构，其中：稀土合金是稀土基AB₅型或稀土镁基A₂B₇型贮氢合金；高分子材料是聚四氟乙烯或聚氨酯；高分子材料在复合催化剂中的重量百分比为2-20%。

所述稀土基AB₅型贮氢合金的分子式是RENi_5-xB_x，稀土镁基A₂B₇型贮氢合金的分子式是(RE_1-yMg_y)₂(Ni_1-zB_z)₇，两个分子式中RE是稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Y中的一种或几种，B是Mg、Co、Mn、Al、Fe、Cu、Zn、Sn、Zr、Ti、Si元素中的一种或几种；式中x、y、z是原子比，0≤x≤2.5，0≤y≤0.5，0≤z≤0.5；

所述非贵金属复合催化剂中稀土合金粉的颗粒大小为100nm至10μm；

所述稀土合金粉表面部分被高分子材料覆盖，覆盖度（被覆盖的表面积）为20-80%；

所述复合催化剂同时具有疏水性和亲水性；

所述复合催化剂在常温常压下具有气固相氢气分解催化能力，同时具有电化学液固相氢氧化反应能力。

合成非贵金属复合催化剂的制备方法如下：

先用真空感应熔炼炉制备稀土合金锭，或用真空快淬法制备合金微晶/非晶带；

将稀土合金机械破碎合金至粉状；

稀土合金粉在150-340℃和真空度高于1Pa的条件下除去表面氧气并引入氢气，冷却至室温保持1小时以上使之形成氢化物；重复循环3-5次；

将氢化物在氩气保护下转移至球磨机，球磨合金粉，进一步降低合金粉的粒度；并在氩气保护下，按比例加入高分子材料与合金粉混合，继续球磨至稀土合金表面20-80%的部分被高分子材料覆盖。