[发明专利]催化剂及其制备方法和膜电极以及直接液体燃料电池

说明书

本发明涉及直接液体燃料电池领域，公开了一种催化剂及其制备方法和膜电极以及直接液体燃料电池，该催化剂包括碳基载体和覆载于所述碳基载体上的金属纳米粒子，其中，所述金属纳米粒子以贵金属和贱金属所形成的金属间化合物的形式存在，且以该催化剂的总质量为基准，所述金属纳米粒子的含量为10‑50wt％，所述碳基载体的含量为50‑90wt％。该催化剂在直接液体燃料催化过程中不仅具有较高的催化活性，还具有较强的抗毒化能力、催化性能稳定和使用寿命长等优点。

技术领域

本发明涉及直接液体燃料电池，具体涉及一种催化剂及其制备方法、具有该催化剂的膜电极和直接液体燃料电池。

背景技术

目前，报道较多的储氢方法有：低温液态储氢、高压气态储氢、金属合金储氢、碳材料吸附储氢、化学氢化物储氢和金属有机骨架材料储氢等，这些方法都取得了一定的进展，但是还需要从提高质量储氢密度、体积储氢密度、能量效率、安全性和降低成本等方面进行进一步的考虑。因此，寻找高效、低成本且又能够规模化利用的储氢方法成为关键。与众多储氢技术相比，直接有机储氢液体燃料电池具有能量密度高、理论能量转换效率高、燃料绿色可再生、操作安全等优点，因此，研究直接液体燃料电池对缓解当前的能源危机、环境污染等问题具有战略性意义。

在先前的研究中，美国专利申请文献US8338055中揭示了一种可以利用有机储氢化合物进行发电的装置。该装置与质子交换膜燃料电池发电系统类似，采用饱和环烷烃、饱和氮杂环烷烃、醇类、醚类等多种有机小分子作为发电装置的燃料。该专利申请中指出，此发电装置需要采用催化剂才能正常工作，但该专利中并未对可选用的催化剂的种类进行详细阐述。

日本科学家(Chem.Commun.2003，609)尝试以Nafion 117为质子交换膜，活性炭为催化剂载体，Pt作为阴极和阳极催化剂，构筑了以环己烷为有机燃料，氧气为氧化剂的微型燃料电池系统。该微型燃料电池系统的最大输出功率仅为16mW cm^-2，表明Pt对于环己烷的电催化效率较低。

环己烷等直接液体燃料可以在不改变碳骨架的情况下实现脱氢和加氢的可逆反应，从而在加氢的情况下实现氢的储存，在脱氢的情况下，实现氢的释放。但是，有机液体的完全催化氧化是一个多电子的转移过程，中间反应繁多，直接液体燃料以及中间产物对催化剂具有较强的吸附作用，容易在催化剂的表面堆积，导致催化剂的活性下降，从而使得催化剂的使用寿命降低。

因此，开发具有高催化活性以及抗毒化能力的直接液体燃料电池用催化剂是当前直接液体燃料电池技术发展的重中之重。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的直接液体燃料电池用催化剂的催化活性低、抗毒化能力弱、使用寿命短的问题，而提供一种催化剂及其制备方法、膜电极和直接液体燃料电池，该催化剂在直接液体燃料催化过程中不仅具有较高的催化活性，还具有较强的抗毒化能力、催化性能稳定和使用寿命长等优点。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种催化剂，该催化剂包括碳基载体和负载于所述碳基载体上的金属纳米粒子，其中，所述金属纳米粒子以贵金属和贱金属所形成的金属间化合物的形式存在，且以该催化剂的总质量为基准，所述金属纳米粒子的含量为10-50wt％，所述碳基载体的含量为50-90wt％。

本发明第二方面提供一种催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳基载体分散于含有无机酸的有机溶剂中进行预处理，得含有预处理载体的分散液；(2)将上述含有预处理载体的分散液与贵金属前驱物和贱金属前驱物混合，使贵金属前驱物和贱金属前驱物负载在预处理载体上，再经分离、干燥得到电催化剂前驱体；(3)将电催化剂前驱体在惰性气氛中焙烧。

本发明第三方面提供一种直接液体燃料电池的膜电极，包括质子交换膜和附着在质子交换膜表面的催化剂以及催化剂外层的气体扩散层，所述催化剂为第一方面所述的催化剂和/或为第二方面所述的制备方法制备得到的催化剂。