[發明專利]一種復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011448815.8
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112736260B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 黃美華;官輪輝;劉濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 叢森

本申請公開了一種復合材料及其制備方法、應用，所述復合材料包括多壁碳納米管、金屬和有缺陷的氧化物；所述金屬和有缺陷的氧化物負載在所述多壁碳納米管的外壁；所述金屬包括鉑；所述有缺陷的氧化物選自二氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅中的至少一種。本發明提供的復合材料，其不僅能提高鉑的催化活性，也能提高其壽命。所述催化劑氧還原的質量活性是Johnson Matthey公司Pt/C催化劑的4.1倍以上。在氧氣飽和的0.1M高氯酸溶液中經過5萬次循環后，質量活性只降低1.7％；而商業Pt/C降低了43.7％。

技術領域

本申請涉及一種復合材料及其制備方法和應用，屬于燃料電池催化劑領域。

背景技術

燃料電池是一種能夠直接將燃料的化學能高效和清潔地轉化成為電能的裝置，是一種比較理想的發電技術。且由于其高效、噪音低、環保和可持續的特點，在車輛動力源、各種移動電源、軍用電源等方面具有廣闊的應用前景，因此燃料電池的研究受到了各國的高度重視。

目前燃料電池商業化過程中遇到一些問題，其中最為突出的是鉑基催化劑在燃料電池陰極氧還原的質量活性和穩定性較低。因此開發研究新一代的高性能燃料電池催化劑對于促進燃料電池的研究和發展具有重要意義。

催化劑材料作為燃料電池最為關鍵的材料之一，其制備方法主要有浸漬還原法、離子交換法、沉淀法、氣相還原法、微波熱還原法、膠體法等，但是這些方法有時不能很好的控制催化劑中納米顆粒的粒徑和納米顆粒的表界面結構，難以在碳納米管上得到表界面組分可控，活性組分高度分散、顆粒度小且分散均勻的鉑基納米催化劑。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種粒徑可控，表界面可控，高活性，穩定性高和操作方便的用于燃料電池的碳納米管上用缺陷豐富的氧化物穩定鉑或鉑基合金納米顆粒的催化劑及其制備方法。

本發明涉及一種用于燃料電池的在碳納米管上用缺陷豐富的氧化物穩定鉑或鉑基合金納米顆粒的催化劑及其制備方法。所述催化劑中，所述碳納米管為多壁碳納米管。本發明的催化劑活性組分顆粒度小至2.0-4.0nm左右，在多壁碳納米管上分布均勻，鉑或鉑基合金納米顆粒和缺陷豐富的氧化物緊密接觸，形成三相界面結構，貴金屬利用率高，催化劑的氧還原質量活性和穩定性高。其氧還原的質量活性是商業Pt/C催化劑的4倍以上。經過5萬次循環后，其氧還原質量活性只損失1.7，而商業Pt/C催化劑經過5萬次循環后其氧還原質量活性損失43.7％。

根據本申請的第一方面，提供了一種復合材料，所述復合材料包括多壁碳納米管、金屬元素和有缺陷的氧化物；

所述金屬元素和有缺陷的氧化物負載在所述多壁碳納米管的外壁；

所述金屬元素包括鉑；

所述有缺陷的氧化物選自二氧化鋯、二氧化鈦、二氧化硅中的至少一種。

可選地，所述金屬元素還包括金屬A；

所述金屬A選自Rh、Ru、Ir、Cu、Ni、Co、Au、Sn中的至少一種。

可選地，所述金屬為鉑和金屬A形成的合金。

具體地，本申請中的有缺陷的氧化物指的是：氧化鋯表面經過氫氣還原，變成低價氧化物ZrO_x(0x2)。因此缺陷是氧化鋯的表面氧缺陷或者表面氧空位。就是氧原子部分被氫氣還原成水。正常是ZrO₂,但是部分氧原子被氫氣還原奪走，變成氧原子不飽和的低價氧化物ZrO_x(0x2)。

可選地，缺陷豐富的氧化物與鉑或鉑基合金納米顆粒緊密接觸，在碳納米管上形成三相界面結構。

可選地，所述有缺陷的氧化物在復合材料中的存在形式為納米顆?；蚣{米簇；

所述有缺陷的氧化物的粒徑為1.0～10.0nm。