[發(fā)明專利]低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)催化劑及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910117488.5
• 申請(qǐng)日: 2009-09-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101664685A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王榮方;王偉;王輝;雷自強(qiáng);張偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/89
• 分類號(hào): B01J23/89;B01J23/44;B01J35/02;B01J37/16;H01M4/96;H01M4/92
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司
• 代理人: 張英荷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于燃料電池的催化劑，尤其 涉及一種用于低溫燃料電池的低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著能源問(wèn)題和燃燒煤等礦物燃料而引起的環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，有關(guān)氫 能源和燃料電池的研究和開(kāi)發(fā)越來(lái)越得到世界各國(guó)政府和科學(xué)界的高度重視。 燃料電池技術(shù)以其具有能量轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)環(huán)境影響小(零排放或者低排放)、 燃料來(lái)源豐富多樣等重要優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是一種最有可能大規(guī)模替代現(xiàn)有能源 的新型能源技術(shù)，是解決未來(lái)能源問(wèn)題和由于燃燒化石能源所導(dǎo)致的嚴(yán)重環(huán)境 污染問(wèn)題的重要技術(shù)手段之一。其中低溫燃料電池由于其具有比能量高、無(wú)污 染、可快速低溫啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。低溫燃料電池包括質(zhì)子交換膜 燃料電池、直接液體燃料電池等。盡管從理論上來(lái)看燃料電池很有發(fā)展?jié)摿Γ? 并在研究方面已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但其商業(yè)化仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。目前低 溫燃料電池所使用的催化劑大多以貴金屬鉑為主，而鉑的價(jià)格由于受到資源的 限制十分昂貴，使得催化劑成本在燃料電池總成本中占有很大的比重。如何在 不降低催化劑催化性能的基礎(chǔ)上，降低鉑的載量進(jìn)而降低催化劑價(jià)格成為一個(gè) 具有挑戰(zhàn)性的課題。開(kāi)發(fā)新型的低鉑催化劑，對(duì)于解決燃料電池目前存在的問(wèn) 題具有十分重要的意義。找到一種比純鉑更好的，高效的催化活性催化劑成為 當(dāng)前燃料電池研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于低溫燃料電池的低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)催化 劑及其制備方法。

本發(fā)明低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)催化劑的制備方法，包括以下兩個(gè)步驟：

(1)將鋅，鐵、鈀、錫、鈷、鎳、銅中一種或兩種金屬的氯化物或硝酸 鹽溶于乙二醇中，加入總金屬離子物質(zhì)的量2～2.5倍的檸檬酸鈉，超聲使其完 全溶解；用質(zhì)量濃度5％的KOH/乙二醇溶液調(diào)節(jié)pH至8～12，加入總金屬離 子物質(zhì)的量1～5倍的甲酸鈉，再加入還原后理論總金屬質(zhì)量4～8倍的碳粉或碳 納米管，攪拌下超聲分散均勻；于140～200℃下反應(yīng)4～10小時(shí)，用水洗滌， 干燥，得到催化劑前軀體。

當(dāng)選用兩種金屬的氯化物或硝酸鹽時(shí)，二者以1∶0.3～1∶3的質(zhì)量比溶于乙 二醇中。

(2)將20mg/ml氯鉑酸溶于乙二醇中，用質(zhì)量濃度4～5％的KOH/乙二醇 溶液調(diào)節(jié)pH至8～12；加入氯鉑酸物質(zhì)的量1～10倍的還原劑，超聲分散，再 加入前述制備的催化劑前軀體，在攪拌下于60～150℃下還原反應(yīng)2～6小時(shí)； 冷卻，靜置1～4小時(shí)；抽濾，洗滌，干燥，得到低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)的催化 劑。

所述還原劑為乙二醇、硼氫化鈉、甲酸、甲醛或抗壞血酸；所述催化劑前 軀體的加入量為還原后理論鉑質(zhì)量的5～50倍。

本發(fā)明制備的低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu)催化劑，是還原后的鉑單質(zhì)覆蓋在金 屬鋅、鐵、鈀、錫、鈷、鎳、銅或其雙金屬合金的表面，形成以鉑為殼、以金 屬鋅、鐵、鈀、錫、鈷、鎳、銅或其雙金屬合金為內(nèi)核的核-殼結(jié)構(gòu)，并共同 負(fù)載于碳粉或碳納米管上。鉑的質(zhì)量為催化劑總量的1～15％，核-殼結(jié)構(gòu)金屬 的質(zhì)量為催化劑總質(zhì)量的10～60％。

所述內(nèi)核為雙金屬合金時(shí)，兩種金屬的質(zhì)量比為5∶1～1∶5。

下面以PdFePt/C催化劑為例，說(shuō)明本發(fā)明制備的低鉑高活性核-殼結(jié)構(gòu) 催化劑的結(jié)構(gòu)及性能。

圖1中，(B)為PdFePt/C的的TEM圖，(A)PdFe/C催化劑TEM圖。 從圖1可以看出，催化劑在碳粉表面分布較為均勻。我們對(duì)其粒徑大小進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)，發(fā)現(xiàn)PdFe/C催化劑(A)和PdFePt/C催化劑粒徑大小分別大約為4.8nm 和5.3nm左右，因此，載鉑后的催化劑的粒徑有比較明顯的增大的現(xiàn)象，說(shuō) 明還原后的鉑沉積到了Pd-Fe構(gòu)成的內(nèi)核的表面。