[发明专利]催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明实施例公开了一种催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括催化剂核和包覆于所述催化剂核外的催化剂壳，所述催化剂核为碳担体和过渡金属的复合物，所述碳担体为载体，所述过渡金属负载在所述碳担体上，所述催化剂壳的材质为Pt、Pd、Ru、Rh或Au，所述催化剂壳的厚度为2.5nm～4nm。通过采用强还原剂、胺类化合物和多元醇化合物的混合还原剂制备，不仅使整体工艺简单、易操控，而且能够制备价格更便宜、抗毒化能力更高的、以及催化活性更强的催化剂，对于推动PEM燃料电池的商业化具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton ex-change membrane fuel cell，PEMFC或PEM 燃料电池)属于燃料电池的一种，因其工作温度低、启动快、能量密度高、重量轻、易组装、可靠性高、环保等优点，得到科研工作者的广泛关注，具有广泛应用到汽车领域、电子领域、航天领域等的巨大潜力。

PEM燃料电池的单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，质子交换膜(protonexchange membrane，PEM)位于阳极和阴极的中间，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，质子交换膜作为电解质，在质子交换膜和阴、阳极之间均设有催化剂，催化剂能够加速电极的电化学反应。

膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies，MEA)是质子交换膜燃料电池的重要结构，其包括质子交换膜、位于质子交换膜两侧的气体扩散层、以及位于气体扩散层与质子交换膜之间的阳极催化剂层和阴极催化剂层，上述各层经层压制得膜电极组件。将膜电极组件与双极板交替叠合构成燃料电池电堆。

目前，在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池的性能最优异。但是，成本高成为影响质子交换膜燃料电池大规模应用的首要问题。由于催化剂使用的是价格昂贵、资源稀少的贵金属铂系催化剂，所以，催化剂的成本占了总成本的大部分，降低催化剂的成本是使PEM燃料电池在商业上可行需要解决的问题。

已经被商用的催化剂为Pt/C催化剂，即将铂负载在具有多孔结构的碳材料上，但是，该催化剂由于Pt纳米颗粒是填充在碳材料的孔隙中，使铂与氢气或氧气接触的面积减少，增加铂的使用量，从而使成本增加。

科学工作者从提高催化性能以及节约成本方面出发，在Pt/C催化剂的基础上做出了很多进一步的成果，例如，包含多种铂系元素的合金催化剂，核壳结构催化剂，非贵重金属催化剂，形状可控的纳米晶体催化剂，纳米笼结构催化剂等，目前，纳米笼结构催化剂和形状可控的纳米晶体催化剂仅处于理论研究阶段，非贵重金属催化剂进入小规模测试阶段，核壳结构催化剂进入短堆栈测试的验证阶段，包含多种铂系元素的合金催化剂已进入生产阶段。其中，核壳结构催化剂因其更优的催化性能和更少催化剂使用量被评估为最具替代Pt/C催化剂潜力的催化剂。

但是，现有的核壳结构催化剂由于催化剂核的粒径以及催化剂壳的厚度过大，导致催化剂抗CO毒性弱，以及催化活性较低。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种催化性能更好、抗CO毒性更强的催化剂，该催化剂具有更小的粒径以及更薄的催化剂壳层，不仅提高催化活性，而且降低昂贵金属的使用量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种催化剂，包括催化剂核和包覆于所述催化剂核外的催化剂壳，所述催化剂核为碳担体和过渡金属的复合物，所述碳担体为载体，所述过渡金属负载在所述碳担体上，所述催化剂壳的材质为Pt、Pd、Ru、Rh或Au，所述催化剂壳的厚度为2.5nm～4nm。

优选地，所述催化剂的粒径为16nm～23nm，所述碳担体和所述过渡金属的重量比为6～8:1，所述过渡金属与所述催化剂壳的重量比为10:1～5。