[发明专利]一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，具体涉及一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂。

背景技术

燃料电池具有能量转换效率高、低污染甚至零污染等优点，被认为是未来理想的一种能量装换方式。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，具有燃料易制取且来源广泛、低温启动性能好、零污染等优点而具有非常好的应用前景。目前质子交换膜燃料电池主要以碳材料负载的铂和铂基合金为催化剂(Pt/C)。但Pt/C在质子交换膜燃料电池工作条件下，金属催化剂与碳载体易受到化学和电化学腐蚀，严重影响质子交换膜燃料电池的活性与耐久性。因此，开发具有较好的活性且能在化学和电化学环境下稳定工作的质子交换膜燃料电池催化剂具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的活性和耐久性的质子交换膜燃料电池催化剂及其制备方法。所制备的催化剂具有二维层状且高度有序的特点，具有催化作用的贵金属位于顶层，铝/钛金属位于中间层，碳位于底层，贵金属层与铝/钛层、铝/钛层与碳层之间存在强的作用力，因此催化剂具有很好的导电性和稳定性，表现出很好的电化学活性和耐久性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂，呈二维层状且高度有序，具有催化作用的贵金属位于顶层，铝/钛金属位于中间层，碳位于底层；所述铝/钛金属为铝或钛，又或者是铝和钛任意比例的混合。

所述的贵金属是金、银、铂、钌、铑、钯、锇和铱中的一种或任意比例的混合。

所述贵金属与铝/钛金属的摩尔比为2: 1~1.5。

金属和碳的摩尔比例为n: (n-1)，其中2 ≤ n ≤ 4，所述金属为贵金属和铝/钛金属的总和。

如上所述的催化剂的制备方法，具体步骤如下：

1）将贵金属粉、铝粉或钛粉或者是铝粉和钛粉任意比例的混合粉末与石墨粉混合，球磨3~24小时后干燥并煅烧，煅烧温度为1100~1500 ℃，煅烧时间为2~12小时；

2）将煅烧后的产物于酸中搅拌1~24小时，过滤干燥后即得到二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂。

所述贵金属粉为300目的贵金属粉；所述铝粉为200目的铝粉，钛粉为300目的钛粉；所述的石墨粉为300目的石墨粉。

步骤2）所述的酸为氢氟酸、硫酸、盐酸、硝酸和高氯酸中的一种或几种组合。

本发明的有益效果在于：本发明所制备的催化剂具有二维层状且高度有序的特点，具有催化作用的贵金属位于顶层，铝/钛金属位于中间层，碳位于底层，贵金属层与铝/钛层、铝/钛层与碳层之间存在强的作用力，因此催化剂具有很好的导电性和稳定性，表现出很好的电化学活性和耐久性。

附图说明

图1为本发明二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于这些实施例。

实施例1

一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法，具体步骤如下：

1）将390 mg铂粉、27 mg铝粉和40 mg石墨粉混合，球磨3小时后烘干；

2）将步骤1）所得产物于1100 ℃煅烧12小时；

3）将步骤2）所得产物于30wt%浓度的氢氟酸中搅拌1小时,过滤干燥后即得到二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂。

所制得的催化剂，Pt:Al:C=2:1:1。

实施例2

一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂，制备方法如下：

1）将214mg钯粉、30.5 mg钛粉和80 mg石墨粉混合，球磨6小时后烘干；

2）将步骤1）所得产物于1300 ℃煅烧6小时；

3）将步骤2）所得产物于3M硫酸中搅拌12小时，过滤干燥后即得到二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂。

所制得的催化剂，Pd:Ti:C=2:1.5:2。

实施例3

一种二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂，制备方法如下：

1）将214mg金粉、108 mg 银粉、13.5 mg 铝粉、24 mg 钛粉和80 mg石墨粉混合，球磨10小时后烘干；

2）将步骤1）所得产物于1500 ℃煅烧2小时；

3）将步骤2）所得产物于5M硝酸中搅拌24小时，过滤干燥后即得到二维有序的层状质子交换膜燃料电池催化剂。

所制得的催化剂，(Au+Ag):(Al+Ti):C=(1+1):(0.5+0.5):2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。