[发明专利]催化剂载体、复合催化剂以及其制备方法、应用

说明书

本申请属于催化剂技术领域，尤其涉及一种催化剂载体、复合催化剂以及其制备方法、应用。其催化剂载体，包括碳纳米管阵列膜层，在碳纳米管阵列膜层表面结合有碳纳米管层，碳纳米管阵列膜层的孔隙率高于碳纳米管层的孔隙率。本申请实施例中用耐腐蚀的惰性较高的碳纳米管载体取代易被腐蚀的炭黑载体，防止催化剂载体被腐蚀，进而提高催化剂整体的稳定性和使用寿命。另外，碳纳米管阵列膜层和碳纳米管层的孔隙率均高于炭黑载体，有利于提高催化剂附着位点，与现有的炭黑载体中均匀分布的催化活性相比，实现了催化活性中心、质子通道、传质通道的梯度分布。

技术领域

本申请属于催化剂技术领域，尤其涉及一种催化剂载体、复合催化剂以及其制备方法、应用。

背景技术

燃料电池的高成本是阻碍氢能源汽车商业化的主要原因，降成本的主要途径之一是降低贵金属催化剂的使用量。膜电极是燃料电池的核心组件，是燃料电池进行氧化还原反应的场所，主要由气体扩散层、催化剂层、质子交换膜以及密封层组成。催化剂层催化氢气和氧气的电化学反应，分为阴极催化层(氧气还原反应)和阳极催化层(氢气氧化反应)。阳极催化层将氢气分解成质子，并释放出电子，电子通过外电路到达阴极。阴极催化层催化质子和氧气发生电化学反应，得到电子产生水。

现有技术中，膜催化剂层组件是在质子交换膜的两面形成催化剂层，该催化剂层包含在碳粉末上负载铂系的金属催化剂而得到的催化剂负载碳，以及具有氢离子传导性的高分子电解质，膜电极组件是在催化剂层的外面使用碳纸，形成同时具有通气性及电子传导性的气体扩散层。通过催化剂层与气体扩散层的组合而构成阳极和阴极。

例如现有文献公开了一种燃料电池用低铂阴极催化层及其应用。该催化层制备采用喷涂的方法，第一层由比表面积为800～1200m²/g的炭黑载体制备的催化剂和质子导体构成；第二层为比表面积50～300m²/g的炭黑载体制备的催化剂和憎水物质构成。这种方法得到的催化出具有贵金属用量少，厚度薄等特点，主要解决了催化层内排水和催化剂利用率的问题，但催化层的结构有待进一步改善，同时制备方法有待优化。但该催化层一般由碳黑载铂(Pt/C)和离子聚合物复合而成。铂作为催化剂起着促进电化学反应进程的作用，而离子聚合物则起着粘结和传输介质的作用，Pt/C催化剂的炭黑载体易被腐蚀，导致Pt从载体上脱落-溶解-再沉积，最终Pt颗粒在炭黑载体表面的团聚，引起催化剂整体性能衰减、使用寿命降低，同时降低Pt催化剂的有效利用率，进一步加剧催化剂成本的提高。

发明内容

针对现有技术本申请的目的在于提供催化剂载体以及其制备方法、复合催化剂以及其制备方法、应用，旨在解决现有碳黑载体被腐蚀的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请第一方面提供了一种催化剂载体，包括碳纳米管阵列膜层，在碳纳米管阵列膜层表面结合有碳纳米管层，碳纳米管阵列膜层的孔隙率高于碳纳米管层的孔隙率。

本申请催化剂载体用耐腐蚀的惰性较高的碳纳米管载体取代易被腐蚀的炭黑载体，防止催化剂载体被腐蚀，进而防止分布在催化剂载体中的催化剂团聚，提高催化剂载体的稳定性和使用寿命，进而提高复合催化剂整体的稳定性和使用寿命。另外，碳纳米管阵列膜层和碳纳米管层的孔隙率均高于炭黑载体，有利于提高催化剂附着位点，且碳纳米管阵列膜层的孔隙率高于碳纳米管层的孔隙率进而形成梯度结构，与现有的炭黑载体中均匀分布的催化活性相比，实现了催化活性中心、质子通道、传质通道的梯度分布，能够充分提高催化活性中心的利用率、有效促进反应原料的进入和产物的排出，提高催化层的效率及催化活性中心耐久性，且提高催化剂的负载量和利用率，降低催化剂的浪费，进而降低成本。

本申请第二方面提供了一种上述文中催化剂载体的制备方法，包括如下步骤：

用含有碳纳米管的浆料在碳纳米管阵列膜层表面形成碳纳米管层，得到催化剂载体。