[發明專利]催化劑及其制備方法和膜電極以及直接液體燃料電池

在審

• 申請號: 202011098596.5
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN114430048A
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 田豪;王昊;張濤;童鳳丫;繆長喜
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/1004;H01M8/1009;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 杜云英;劉亭亭

本發明涉及直接液體燃料電池領域，公開了一種催化劑及其制備方法和膜電極以及直接液體燃料電池，該催化劑包括碳基載體和覆載于所述碳基載體上的金屬納米粒子，其中，所述金屬納米粒子以貴金屬和賤金屬所形成的金屬間化合物的形式存在，且以該催化劑的總質量為基準，所述金屬納米粒子的含量為10?50wt％，所述碳基載體的含量為50?90wt％。該催化劑在直接液體燃料催化過程中不僅具有較高的催化活性，還具有較強的抗毒化能力、催化性能穩定和使用壽命長等優點。

技術領域

本發明涉及直接液體燃料電池，具體涉及一種催化劑及其制備方法、具有該催化劑的膜電極和直接液體燃料電池。

背景技術

目前，報道較多的儲氫方法有：低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、金屬合金儲氫、碳材料吸附儲氫、化學氫化物儲氫和金屬有機骨架材料儲氫等，這些方法都取得了一定的進展，但是還需要從提高質量儲氫密度、體積儲氫密度、能量效率、安全性和降低成本等方面進行進一步的考慮。因此，尋找高效、低成本且又能夠規模化利用的儲氫方法成為關鍵。與眾多儲氫技術相比，直接有機儲氫液體燃料電池具有能量密度高、理論能量轉換效率高、燃料綠色可再生、操作安全等優點，因此，研究直接液體燃料電池對緩解當前的能源危機、環境污染等問題具有戰略性意義。

在先前的研究中，美國專利申請文獻US8338055中揭示了一種可以利用有機儲氫化合物進行發電的裝置。該裝置與質子交換膜燃料電池發電系統類似，采用飽和環烷烴、飽和氮雜環烷烴、醇類、醚類等多種有機小分子作為發電裝置的燃料。該專利申請中指出，此發電裝置需要采用催化劑才能正常工作，但該專利中并未對可選用的催化劑的種類進行詳細闡述。

日本科學家(Chem.Commun.2003，609)嘗試以Nafion 117為質子交換膜，活性炭為催化劑載體，Pt作為陰極和陽極催化劑，構筑了以環己烷為有機燃料，氧氣為氧化劑的微型燃料電池系統。該微型燃料電池系統的最大輸出功率僅為16mW cm^-2，表明Pt對于環己烷的電催化效率較低。

環己烷等直接液體燃料可以在不改變碳骨架的情況下實現脫氫和加氫的可逆反應，從而在加氫的情況下實現氫的儲存，在脫氫的情況下，實現氫的釋放。但是，有機液體的完全催化氧化是一個多電子的轉移過程，中間反應繁多，直接液體燃料以及中間產物對催化劑具有較強的吸附作用，容易在催化劑的表面堆積，導致催化劑的活性下降，從而使得催化劑的使用壽命降低。

因此，開發具有高催化活性以及抗毒化能力的直接液體燃料電池用催化劑是當前直接液體燃料電池技術發展的重中之重。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的直接液體燃料電池用催化劑的催化活性低、抗毒化能力弱、使用壽命短的問題，而提供一種催化劑及其制備方法、膜電極和直接液體燃料電池，該催化劑在直接液體燃料催化過程中不僅具有較高的催化活性，還具有較強的抗毒化能力、催化性能穩定和使用壽命長等優點。

為了實現上述目的，本發明第一方面提供一種催化劑，該催化劑包括碳基載體和負載于所述碳基載體上的金屬納米粒子，其中，所述金屬納米粒子以貴金屬和賤金屬所形成的金屬間化合物的形式存在，且以該催化劑的總質量為基準，所述金屬納米粒子的含量為10-50wt％，所述碳基載體的含量為50-90wt％。

本發明第二方面提供一種催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)將碳基載體分散于含有無機酸的有機溶劑中進行預處理，得含有預處理載體的分散液；(2)將上述含有預處理載體的分散液與貴金屬前驅物和賤金屬前驅物混合，使貴金屬前驅物和賤金屬前驅物負載在預處理載體上，再經分離、干燥得到電催化劑前驅體；(3)將電催化劑前驅體在惰性氣氛中焙燒。

本發明第三方面提供一種直接液體燃料電池的膜電極，包括質子交換膜和附著在質子交換膜表面的催化劑以及催化劑外層的氣體擴散層，所述催化劑為第一方面所述的催化劑和/或為第二方面所述的制備方法制備得到的催化劑。