[發明專利]一種高效電催化甲醇氧化燃料電池催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201811318876.5
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109524679B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 梁鑫;陳立剛;甄崇禮;張傑;趙宏
• 申請（專利權）人: 北京英維深技術有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明提供了一種高效電催化甲醇氧化燃料電池催化劑及其制備方法。此電催化劑PtCe/C是以炭黑為載體，Pt為催化劑的活性組分，均勻分散于Pt納米晶內部的單原子Ce為助劑；其中，PtCe納米晶均勻的分布在炭黑上，PtCe納米晶的粒徑約2?4nm；PtCe/C的催化活性在酸性和堿性條件下均是Pt NPs/C催化劑和商業Pt/C催化劑的3倍以上；同時，該催化劑在酸性跟堿性條件下都具有較好的穩定性。制備方法是：(1)先在氫氣氣氛下合成CeO₂量子點，然后通過混合、攪拌和干燥將其均勻的負載于炭黑上，得CeO₂/C；(2)將制得的CeO₂/C分散于乙二醇中，滴入氯鉑酸溶液，在150℃下反應3小時制備得到PtCe/C。本發明方法簡單，在燃料電池方面具有較好的應用前景。

技術領域

本發明涉及燃料電池催化劑的制備，具體涉及PtCe/C催化劑及其制備方法。

背景技術

直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種不需要經過卡諾循環的電化學發電裝置，其具有能量轉化效率高，無污染，可實現零排放，運行噪音低，可靠性高，構造簡單，便于維護和保養，甲醇來源廣泛和操作條件溫度等優點，特別適用于手機、便攜式筆記本電腦以及一些軍工領域的應用。關于發展燃料電池產業，國家也出臺了各種相關政策。迄今為止，Pt基催化劑依舊是直接甲醇燃料電池陽極電催化甲醇氧化最好的催化劑，但是，Pt價格昂貴以及Pt容易發生CO中毒從而導致其活性快速降低，直接導致了其難以實現工業化應用。因此，將Pt與過渡金屬(如：Ru，Pd，Au和Ni等)形成雙金屬或三金屬催化劑，通過協調作用來提高其電催化甲醇氧化的活性以及穩定性；還可以結合Pt與過渡金屬氧化物(如：CeO2，TiO2,SnO2和MnO2等)，通過協調催化作用去提高了電催化甲醇氧化的活性和穩定性。其中，CeO2由于其具有價格低廉以及其表面具有豐富的氧空位，能夠有效地去除Pt表面吸附的CO，從而得到了在電催化甲醇氧化方面的大量的研究。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種在酸性和堿性條件下均具有高活性和穩定性的電催化甲醇氧化電催化劑及其制備方法。

本發明提供的電催化甲醇氧化電催化劑，是以炭黑為載體，Pt作為催化劑的活性組會，分散于Pt納米晶內部的單原子Ce作為催化劑的助劑，表示為PtCe/C；該催化劑中PtCe納米晶均勻分布在炭黑表面上，PtCe納米晶的粒徑為2-4nm。PtCe/C催化劑的催化活性在酸性條件下分別是Pt NPs/C和商業Pt/C催化劑的3.5倍和4.0倍，其催化活性在堿性條件下分別是Pt NPs/C和商業Pt/C催化劑的4倍和3.8倍。其電化學活性比表面積在酸性跟堿性條件下分別達到了129m²/g-Pt和67m²/g-Pt，其電催化甲醇氧化的電流密度在酸性跟堿性條件下分別達到了1470mA/mg-Pt和8670mA/mg-Pt(可以作為該催化劑的性能數據)。

該燃料電池催化劑具體制備步驟如下：

將硝酸鈰銨跟油酸鈉以摩爾比1：1混合均勻，攪拌均勻，加入25wt％的氨水，加入的硝酸鈰銨的質量跟氨水的體積比例為0.384g/mL，攪拌均勻，放入反應釜中，通氣氫氣并使得反應釜壓力為0.2MPa-1.0Mpa，在150℃-250℃下反應8h-16h，冷卻，用乙醇跟環己烷混合洗滌，在60℃下干燥得到CeO₂量子點顆粒；

將制備得到的CeO₂量子點與炭黑以質量比1:9-4:6混合在環己烷中，超聲攪拌均勻，使得CeO₂量子點負載在炭黑上，然后在80℃下直接進行干燥，得到CeO₂/C；

將制備得到的CeO₂/C稱量20mg，加入到30mL乙二醇溶液中，超聲攪拌均勻，再加入氯鉑酸水溶液,使得鉑的的含量為10wt％-30wt％，放入反應釜中，在100℃-200℃反應3h，然后用乙醇洗滌，離心，在60℃下干燥得到PtCe/C。