[發明專利]一種Pt/金屬碳化物/碳納米材料催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201910071847.1
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109546166B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 路金林;張曉偉;馬暢
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 張群

本發明涉及一種Pt/金屬碳化物/碳納米材料催化劑及其制備方法，所述Pt/金屬碳化物/碳納米材料催化劑中Pt原子和金屬碳化物分子均勻分布，且兩者均勻分散在碳納米材料的表面；催化劑中Pt的質量分數為5％～30％，金屬碳化物的質量分數為5％～15％，其余為碳納米材料。本發明在降低Pt用量的同時，通過控制合成Pt與過渡金屬碳化物達到原子級接觸，成功制備出具有較高催化活性，適用于直接甲醇燃料電池的復合催化劑。

技術領域

本發明涉及納米復合催化劑制備技術領域，尤其涉及一種應用于直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極的Pt/金屬碳化物/碳納米材料催化劑及其制備方法。

背景技術

燃料電池是近年來興起的清潔能源技術裝置，是繼水力、火力和核能發電之后的新一代發電技術。它是一種不經燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變為電能的高效連續發電裝置。燃料電池由陽極、陰極和兩極之間的電解質組成。在陽極一側通入O₂或空氣，通過電解質的離子傳導，在陰極和陽極發生電子轉移，并在兩極產生電勢差，形成一個電池。聯接兩級，在外電路中形成電流，便可帶動負載工作。作為燃料電池的一種，直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡稱DMFC)具有結構緊湊、質量輕、燃料來源豐富、儲存攜帶方便、環境友好等優點，是目前各國政府優先發展的高新技術之一。

對DMFC而言，電催化劑的利用不僅可以加速電極反應、抑止副反應的發生，而且可以提高電池的能量輸出效率和整體性能。然而在燃料電池中，甲醇在Pt表面產生的各種中間體中有CO存在，而Pt與CO中間體結合能較高，這就會造成Pt表面活性位點大面積被占用而失活，即Pt中毒，使催化活性大大降低，因此限制了其商業化的發展。目前，DMFC所使用的催化劑無論在陽極還是陰極均以Pt系貴金屬催化劑為主。

申請號為CN201610208955.5的中國專利公開了一種“金-鉑納米復合材料”，納米金呈枝狀，球狀鉑顆粒修飾在納米金表面，Au與Pt復合后改變了Pt的內部原子排列以及費米能級，進而改變Pt的表面性能，提高復合催化劑的表面催化活性、抗毒化能力及穩定性。申請號為201610521094.6的中國專利公開了一種“PtPd電催化劑”，該催化劑具備一種新異的空心網狀結構，增大催化劑的比表面積，從而提高催化活性，產生優異的電催化氧化甲醇性能。通過加入第二元金屬來改變催化劑的結構形貌，或是改變催化劑的晶體結構來提高催化劑的活性以及抗毒化能力，是目前燃料電池催化劑發展的重要手段，然而引入的第二元金屬應當在提高催化劑性能的同時，降低催化劑的成本，才能進一步加速燃料電池商業化的進步。申請號為201610168232.7的中國專利公開了“一種Pt-Mn-石墨烯燃料電池復合催化劑的制備方法”，通過改變制備過程中Pt源與Mn源的加入量得到性能最佳的配比，并表現出對甲醇優異的催化性能。申請號為201611136275.3的中國專利公開了“一種氧化物@貴金屬核殼納米線催化劑的制備方法”，氧化物包覆在貴金屬納米材料外層，所制備的催化劑具有成本低、抗毒化性強、活性高、穩定性好等優點，申請號為201510028612.6的中國專利公開了“一種直接甲醇燃料電池的陽極催化劑”，具有高比表面積和高導電性。利用了鎢的碳化物做輔助催化劑，強化解離吸附在Pt上的CO的作用，從而對甲醇的催化氧化表現出優異的活性。不論是向催化劑中加入過渡金屬、過渡金屬氧化物或是過渡金屬碳化物助催化劑，都能有效提高對醇類燃料的催化活性，Pt和助催化劑之間屬于“體相接觸”，不能有效利用助催化劑的作用來改變Pt價電子結構；也不能使Pt和助催化劑的活性位點充分暴露出來，所以導致助催化能力、協同催化作用收到傳質距離的限制，催化劑整體活性并不高。