[發明專利]鉑釕摻雜La系稀土元素多相催化劑的制備方法

無效

• 申請號: 200810058630.9
• 申請日: 2008-07-03
• 公開（公告）號: CN101299461A
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發明（設計）人: 李旸;管偉明;聞明;李艷瓊;姜東惠
• 申請（專利權）人: 昆明貴金屬研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;C23C14/02;C23C14/34;C23C14/14;B01J23/63;B01J37/00;B01J32/00
• 代理公司: 昆明今威專利代理有限公司
• 代理人: 賽曉剛

技術領域

本發明涉及低維鉑基稀土催化劑材料的制備、低維材料及稀土材料相關低維貴金屬催化劑電極制備。尤其涉及在碳載體上擔載摻雜稀土金屬的鉑釕雙金屬的質子交換膜燃料電池催化電極的制備方法。

背景技術

鉑基載體催化劑是一類重要的非均相催化劑，具有優異的催化性能，主要用在汽車、電子、航空航天等新能源技術、信息化、自動化領域。目前，對鉑基載體催化劑的研究主要集中于降低載鉑量、提高催化活性及低鉑載量制備技術等方面。

對于降低載鉑量研究方面，尤以降低PEMFC(質子交換膜燃料電池)的MEA(質子交換膜燃料電池膜電極集合體)和氫能源高效能比制備用碳載Pt合金催化電極的載鉑量最具有代表性。在MEA研究中，上世紀90年代發展的催化層制備工藝都是建立在Pt/C為催化劑的基礎上，其載Pt量已降到0.08mg/cm²，Pt利用率達到30％，催化層厚度約5μm。1992年美國LANL和TAMU的電化學系統和氫研究中心采用噴射沉積技術使載Pt量降到0.05mg/cm²，并提高了電極催化性能。Hirano等人用同樣技術在E-TEK電極表面噴涂0.1mg/cm²載量的Pt層，作為陰極進行氫燃料電池試驗，其性能與0.4mg/cm²載量的E-TEK電極相近，而在高電流密度區的性能要好于后者。加拿大Ballard能源公司以Pt/C作為電催化劑的電極材料，通過對MEA結構和制備工藝改進，可將載Pt量降至0.02mg/cm²，取得了突破性進展。但是低載Pt量的Pt/C電極在最初1000h內有明顯的性能衰退，為提高電催化劑的活性與穩定性，有時需加入一定量的過渡金屬，制成合金型電催化劑，Johnson?Matthey公司提出Pt合金/C的制備方法。國內的邵慶輝等制備的納米催化劑存在分散不太均勻，活性碳有團聚現象，鉑粒子明顯呈現球型分布，且粒徑大小分布在2～6nm之間。為了進一步提高電催化劑的活性，對于新型催化劑陰極和陽極材料的研究工作正在深入進行。

在制備技術方面，目前制備鉑基合金載體催化劑的方法主要有化學和物理兩類技術?；瘜W制備技術，如浸漬法、沉淀法、離子交換法、化學還原法等，均存在活性組分分散性差、比表面積小、難以進行過程控制等問題，使得貴金屬的利用率僅為10％～20％。國內部分研究機構分別采用膠體法和浸漬法制備不同活性碳載體上的各系列Pt、Pt-Pd或Pt/ZrO₂-3％Y₂O₃催化劑，載Pt量1.5mg/cm²，當電流密度＞50mA/cm²，催化性能下降；即使采用絲網和漿料噴射印刷技術，也難以實現對其表面結構的控制。物理制備技術，如PVD(含離子束濺射、直流磁控濺射、射頻濺射等)、超音速噴射沉積等，得到的薄膜材料與載體附著牢固、致密無氣孔、優質、無污染，低溫過程(＜200℃)下準確可控的離子/原子到達比，易獲得多種不同組分和結構的合成膜，在室溫下可控得到高溫相、亞穩相和非晶態合金，明顯提高薄膜微區域密度、細化晶粒、消除或減輕膜的本征應力、增強織構性，使薄膜獲得所需的晶體學擇優取向，有效地控制超微粒子的大小和分布。典型的使用PVD法制備MEA的有美國LANL的Edson?A.Ticianelli等：在含10wt％Pt/C的電極上濺射50nm的Pt薄膜后，電極載Pt量0.45mg/cm²，Pt顆粒尺寸為2.5～3.5nm，獲得的能量密度卻增加了100％～150％。

稀土元素中的鑭系元素由于具有未完全填滿的4f內電子層，在催化方面具備獨特的助催化性能以及高溫穩定性、高活性和高分散性等，與貴金屬和過渡金屬混合，用作催化劑的助劑時，顯示出很好的協同效應，反映在增加催化劑的貯氧和放氧能力、晶格氧的流動性、熱穩定性、分散性以及穩定其它金屬離子的氧化價等。近年來，隨著稀土元素在催化方面基礎研究的進展，稀土元素在低維催化材料的大量應用是稀土應用領域的一大亮點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鉑釕摻雜La系稀土元素多相催化電極的制備方法，以提高催化劑的催化活性、鉑在燃料電池中的利用率、降低成本，該方法簡單，可進行連續性的電極制備，有利于燃料電池催化劑的產業化應用。