[发明专利]一种车载燃料电池用新型PtM八面体阴极合金催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种车载燃料电池用新型PtM八面体阴极合金催化剂及其制备方法，所述的催化剂催化剂使用PtM八面体合金作为活性组分，用多元醇高温液相还原制备PtM八面体合金，同时将其负载在碳载体上制得燃料电池用阴极催化剂，其中，PtM八面体合金中，M为过渡金属，其选自元素周期表第Ⅷ族和第ⅠB族的元素中的一种。与现有技术相比，本发明的催化剂活性高，制备方法简单，工艺流程环保，适合大规模生产等。

技术领域

本发明涉及电催化与能源转化技术领域，尤其是涉及一种车载燃料电池用新型PtM八面体阴极合金催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料(如氢气，甲醇，乙醇)和氧化剂(如氧气，空气)的化学能直接转化为电能的装置。由于燃料电池能量转化不受卡诺循环的限制，且反应过程对环境友好等优点，燃料电池成为未来改善能源利用效率和效益的策略之一，也是学术界和实业界争相研究的焦点。近年来，随着经济和社会的发展，能源与环境污染之间的矛盾日益加剧，在获取能源的同时往往会残余大量能源废料。面对这一矛盾，燃料电池作为一种高效清洁的能源转化装置，成为未来动力能源、分散式电站、便携式电源的理想选择。

燃料电池装置由双极板，气体扩散层，电催化层和质子交换膜这4部分构成。其中，电催化层是整个能源转化装置的核心部件。在电催化层中起主导作用的电催化剂又是直接影响燃料电池性能的关键因素，同时也是低温燃料电池商业化道路上的最大障碍之一(Front.Biosci.10(2005)492；Nano Lett.4(2004)191；)。由于铂金属的高催化活性，燃料电池催化剂普遍以铂作为催化主体(Chem.Mater.2001,13,312)。但由于贵金属铂的价格昂贵，储量短缺，因而铂基燃料电池催化剂的商业化道路一直未能成行。针对这两方面的影响，研究人员主要关注于降低燃料电池铂的载量和研发新型燃料电池催化剂，从这两个方面考虑来降低燃料电池催化剂的成本。

低铂(ECS.4(2001)1099；J.Am.Chem.Soc.128(2006)3504)和无铂(EnergyEnviron.Sci.4(2011)1238)燃料电池催化剂的研发在一定程度上降低了成本，但是其催化动力性能仍然不能满足电动车性能需求。近年来，国际上通过特定方法合成了不同结构的Pt基催化剂来提高催化剂活性和耐久性。其中特定形貌Pt基催化剂，例如核壳结构(core-shell)(J.Phys.Chem.B 109(2005)22701)，纳米线(nanowire)(Electrochim Acta,53(2003)5804)，纳米笼(nanocage)(Electrochimica Acta 54(2009)6515)等。这些特型催化剂从催化剂颗粒的晶型和分布显露程度上面考虑，从单位催化剂的催化性能和实际催化活性面积上来提升催化能力。如Ma等(Catal Commun,11(2010)434)合成的Pt_shell-Au_core/C催化剂，在单电池中的性能是商业Pt/C催化剂4～5倍；Chen等(Science 343(2014)1339)所研究的特定形貌纳米框架，由于其单体的高催化活性和较少的催化表面遮蔽，具有商业Pt/C催化剂36倍的比质量活性和22倍的比活性。Stamenkovic等(Science 315(2007)493)提出Pt₃Ni(111)单晶催化剂具有良好的催化活性，其催化氧气还原反应(ORR)的活性是Pt(111)表面的十倍，是目前市场上商业Pt/C纳米催化剂的90倍。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载燃料电池用新型PtM八面体阴极合金催化剂及其制备方法。针对前述车载燃料电池阴极所面临过的活性，耐久性和成本问题，本发明人通过对实验装置的改装设计和大量的具体实验，对纯铂催化剂和铂合金八面体催化剂(PtM/C)各性能进行了充分的比较；最后采用高活性的铂合金八面体催化颗粒作为活性组分，同时配以高导电性的石墨，炭黑等碳材料，在保证高活性同时具备了一定的耐久性，完成本发明。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：