[发明专利]一种Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂及其制备方法，所述Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂中Pt原子和金属碳化物分子均匀分布，且两者均匀分散在碳纳米材料的表面；催化剂中Pt的质量分数为5％～30％，金属碳化物的质量分数为5％～15％，其余为碳纳米材料。本发明在降低Pt用量的同时，通过控制合成Pt与过渡金属碳化物达到原子级接触，成功制备出具有较高催化活性，适用于直接甲醇燃料电池的复合催化剂。

技术领域

本发明涉及纳米复合催化剂制备技术领域，尤其涉及一种应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极的Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池是近年来兴起的清洁能源技术装置，是继水力、火力和核能发电之后的新一代发电技术。它是一种不经燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效连续发电装置。燃料电池由阳极、阴极和两极之间的电解质组成。在阳极一侧通入O₂或空气，通过电解质的离子传导，在阴极和阳极发生电子转移，并在两极产生电势差，形成一个电池。联接两级，在外电路中形成电流，便可带动负载工作。作为燃料电池的一种，直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC)具有结构紧凑、质量轻、燃料来源丰富、储存携带方便、环境友好等优点，是目前各国政府优先发展的高新技术之一。

对DMFC而言，电催化剂的利用不仅可以加速电极反应、抑止副反应的发生，而且可以提高电池的能量输出效率和整体性能。然而在燃料电池中，甲醇在Pt表面产生的各种中间体中有CO存在，而Pt与CO中间体结合能较高，这就会造成Pt表面活性位点大面积被占用而失活，即Pt中毒，使催化活性大大降低，因此限制了其商业化的发展。目前，DMFC所使用的催化剂无论在阳极还是阴极均以Pt系贵金属催化剂为主。

申请号为CN201610208955.5的中国专利公开了一种“金-铂纳米复合材料”，纳米金呈枝状，球状铂颗粒修饰在纳米金表面，Au与Pt复合后改变了Pt的内部原子排列以及费米能级，进而改变Pt的表面性能，提高复合催化剂的表面催化活性、抗毒化能力及稳定性。申请号为201610521094.6的中国专利公开了一种“PtPd电催化剂”，该催化剂具备一种新异的空心网状结构，增大催化剂的比表面积，从而提高催化活性，产生优异的电催化氧化甲醇性能。通过加入第二元金属来改变催化剂的结构形貌，或是改变催化剂的晶体结构来提高催化剂的活性以及抗毒化能力，是目前燃料电池催化剂发展的重要手段，然而引入的第二元金属应当在提高催化剂性能的同时，降低催化剂的成本，才能进一步加速燃料电池商业化的进步。申请号为201610168232.7的中国专利公开了“一种Pt-Mn-石墨烯燃料电池复合催化剂的制备方法”，通过改变制备过程中Pt源与Mn源的加入量得到性能最佳的配比，并表现出对甲醇优异的催化性能。申请号为201611136275.3的中国专利公开了“一种氧化物@贵金属核壳纳米线催化剂的制备方法”，氧化物包覆在贵金属纳米材料外层，所制备的催化剂具有成本低、抗毒化性强、活性高、稳定性好等优点，申请号为201510028612.6的中国专利公开了“一种直接甲醇燃料电池的阳极催化剂”，具有高比表面积和高导电性。利用了钨的碳化物做辅助催化剂，强化解离吸附在Pt上的CO的作用，从而对甲醇的催化氧化表现出优异的活性。不论是向催化剂中加入过渡金属、过渡金属氧化物或是过渡金属碳化物助催化剂，都能有效提高对醇类燃料的催化活性，Pt和助催化剂之间属于“体相接触”，不能有效利用助催化剂的作用来改变Pt价电子结构；也不能使Pt和助催化剂的活性位点充分暴露出来，所以导致助催化能力、协同催化作用收到传质距离的限制，催化剂整体活性并不高。