[发明专利]一种基于表面功能增强的高性能氧还原催化剂及其制法

说明书

本发明公开了一种基于表面功能增强的高性能氧还原催化剂，并提供上述催化剂的制备方法。催化剂为具有核壳结构的HCM/Pt/C催化剂，其中壳材料为一种多孔杂原子掺杂碳材料，包覆在Pt活性中心表面。由于这种杂原子掺杂碳材料对氧气有一种特殊的吸附‑富集效应，能为活性位点提供一种富氧环境，提高反应气体氧气与活性位点的碰撞频率，大大了提高氧还原反应的动力学反应速率。同时在HCM/Pt界面处的电子效应会优化Pt的电子结构，使Pt对氧还原反应中间产物的吸附变弱，提高其脱附速率，为后续的氧气吸附提供位点。另一方面，Pt粒子周围的碳壳会阻止其迁移、团聚，大大提高了催化剂的整体稳定性。

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种基于表面功能增强的高性能氧还原催化剂及其制备方法。

背景技术

面对化石燃料资源日趋枯竭的严峻挑战和环境恶化给人们健康生活带来的巨大压力，社会对寻找替代能源的呼声越来越高。燃料电池是一种以可再生的氢气、醇类等高能物质为燃料，直接将燃料中的化学能转化为电能的能量转换装置，具有能量转化效率高、排放低、污染小等优点。基于这些优势，燃料电池在动力电源、备用电源及小型固定式供电系统等领域具有广泛的应用前景，有望在未来帮助解决全球面临的日益严重的能源及环境问题。目前，燃料电池阴极侧氧还原反应催化剂的成本、活性、稳定性和抗毒性是制约其的产业化的主要因素，主要表现为：

1.燃料电池阴极侧氧还原反应是一种复杂的多相反应，涉及一系列的吸/脱附过程和多电子反应，造成其动力学反应缓慢和较大的过电势，严重降低了电池的效率。

2.Pt基催化剂是目前燃料电池广泛应用的催化剂，对氧还原反应有较高的催化活性。然而，Pt资源有限、价格昂贵，使催化剂成本居高不下；另外，现有Pt基催化剂的活性还不能完全满足商业化应用的要求。

3.在燃料电池运行的强腐蚀性、高氧化性条件下，Pt较易溶解；同时，碳载体也容易被腐蚀，造成Pt颗粒的迁移、团聚和脱落，降低了催化剂的稳定性。

4.燃料电池阳极侧的甲醇会通过质子交换膜渗透到阴极，在Pt催化剂表面甲醇氧化反应的中间体CO会强吸附在Pt表面，占据Pt的活性位点，降低其对氧还原反应的催化活性。

因此，设计一种有效结构来提高铂催化剂的本征活性、稳定性和抗毒性对燃料电池的产业化发展具有重要意义。