[發明專利]一種鈀鐵氧化物燃料電池催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201611138558.1
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106784889A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 廖夢垠;熊繼海;范敏;席細平;羅成龍
• 申請（專利權）人: 江西省科學院能源研究所
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 江西省專利事務所36100
• 代理人: 殷勇剛

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑技術領域，具體涉及一種鈀鐵氧化物燃料電池催化劑。本發明還涉及該鈀鐵氧化物燃料電池催化劑的制備方法。

背景技術

低溫燃料電池具有清潔、高效、安全、可移動、操作條件溫和以及未來產業化具有發展潛力等優點備受世界各國的重視，包括質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池和直接甲酸燃料電池等。電催化劑、質子交換膜和電極是低溫燃料電池關鍵材料，而成本高是目前困擾燃料電池商業化的最主要問題，其中催化劑中大量使用Pt材料，使得催化劑的成本占很大的比重。如今Pd基催化劑吸引了大家的關注，Pd與Pt有相似的性質(如同周期元素，同晶體結構，同原子大小)，且Pd的價格是Pt的1/3，Pd的儲備量卻是Pt的50倍。根據這個出發點，我們可以考慮通過Pd摻雜第二種金屬元素(例如：Au，Pt，Ir，Pb，Sn，Co，Ni等等)來提高Pd基催化劑的活性，以便用Pd基催化劑來替代Pt基催化劑在燃料電池中的應用。中國專利CN 101664685A公開了一種兩步化學還原法制備了PdFe@Pt/C核殼結構催化劑，在0.4V(Ag/AgCl)時PdFe@Pt/C催化劑單位鉑質量的氧還原活性電流為0.126A mg^-1_Pt，其催化效能大約是商業Pt/C催化劑的4倍。雖然引入了Pd和Fe來降低催化劑成本，但是仍存在催化活性不高和成本控制差的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種低成本且具有高催化活性的鈀鐵氧化物燃料電池催化劑。本發明要解決的另一個技術問題是提供一種制備該鈀鐵氧化物燃料電池催化劑的制備方法。

本發明通過以下技術手段解決上述技術問題，

一種鈀鐵氧化物燃料電池催化劑，其特征在于，在活性炭上負載Pd和Fe元素，結構式為Pd-Fe/C，所述Pd-Fe負載量為20～50％；所述Pd-Fe粒徑為3.5～4.5nm。

本發明要解決的另一個技術問題是提供一種制備該鈀鐵氧化物燃料電池催化劑的制備方法，

一種鈀鐵氧化物燃料電池催化劑制備方法，步驟如下，

(1)將10mg的活性碳分散于6mL的水溶液中，并超聲60～120min；

(2)超聲過程中繼續攪拌并通入惰性氣氛30～120min，以除去溶液中的溶解氧；

(3)在超聲、攪拌和惰性氣氛保護下，加入計量的硼氫化合物；

(4)將計量的可溶性亞鐵鹽配成溶液；加入硼氫化合物結束30～120min后，逐滴加入計量的可溶性亞鐵鹽溶液，從而Fe²⁺被還原成Fe⁰，攪拌15～60min，得到Fe/C溶液；

(5)將計量的可溶性鈀化合物配成溶液，并逐滴加入到步驟(4)制備的Fe/C溶液中，再持續攪拌20～60min；

(6)過濾并用去離子水洗滌，濾渣在真空干燥箱50～70℃下真空干燥4～6h，即制得Pd-Fe/C-1催化劑。

作為優化，在步驟(6)后，將所述Pd-Fe/C-1催化劑，放在內徑6cm長100cm的管式爐中，以200mL/min通入保護氣氛15分鐘驅趕管式爐中空氣，再調整以20mL/min通入上述保護氣氛和升溫，并在保護氣氛中200～500℃煅燒2～4h，在保護氣氛中冷卻至室溫，即制得Pd-Fe/C-2催化劑；

作為優化，所述保護氣氛為高純氬氣、高純氮氣、高純氦氣、高純二氧化碳氣體中的一種；

作為優化，經過熱處理后的Pd-Fe/C-2催化劑含有氧化物PdO和Fe_xO_y，其中x＝2～3，y＝2～4。

作為優化，步驟(1)中所述活性碳為Vulan XC-72R，粒徑30nm，比表面積S_BET＝237m²·g^-1；

作為優化，步驟(2)中所述惰性氣氛為氮氣、二氧化碳氣體或氬氣；

作為優化，步驟(3)中所述硼氫化合物為硼氫化鈉和/或硼氫化鉀；

作為優化，所述Pd-Fe/C-1催化劑和Pd-Fe/C-2催化劑的Pd-Fe負載量為20～50％；所述Pd-Fe粒徑為3.5～4.5nm；

作為優化，所述可溶性亞鐵鹽溶液的濃度為0.09mol/L；可溶性鈀化合物溶液的濃度為1g/100mL；

作為優化，所述可溶性亞鐵鹽為硫酸亞鐵、氯化亞鐵、硝酸亞鐵中的一種或多種組合；

作為優化，所述可溶性鈀化合物為氯化鈀、氯鈀酸，硝酸鈀；