[发明专利]用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳极催化剂，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂，本发明还涉及该种阳极催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为： 

　　阳极(负极)：2H₂-4e=4H⁺

　　阴极(正极)：O₂+4e+4H⁺=2H₂O 。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）除了具备燃料电池的一般特点之外，还具有可室温快速启动、无电解液流失、无腐蚀、寿命长、比功率与比能量高、重量轻、体积小等突出特点，因此得到了很大的发展，部分作为电动车辆的动力电源得到了应用。

氢源问题是质子交换膜燃料电池技术发展和广泛应用的一个重要课题，而采用重整气为燃料是目前从经济成本和技术角度上都最接近实用要求的方案。但存在的主要问题是重整气中含有一定浓度的CO(5×10^- 5～10^- 2)，而现有的质子交换膜燃料电池的阳极催化剂为Pt/C 或PtRu/C， CO 在Pt表面具有强烈的吸附作用，优先占据阳极电催化剂的活性位，阻碍了H₂ 的氧化，从而导致严重的极化现象，使电池的性能严重下降。Pt电极对CO的最大忍耐度也不超过100ppm，另一方面，Pt为贵金属，用其作为阳极催化剂，制造成本高。因此进一步研究能避免CO中毒、且成本低的阳极催化剂是目前业内人士研究开发的方向。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种能选择性氧化CO，避免造成CO中毒的用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂，本发明还提供了该种催化剂的制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂，是以Co₃O₄纳米棒为载体，在该载体上负载双金属Au- M为活性组分，所述M代表Pt或Cu或Pd，其中M的重量份数为1-10份、Au 的重量份数为0.1-2份、Co₃O₄的重量份数为80-98份。

采用上述技术方案，负载型Au催化剂对低温CO的催化氧化具有很高的活性，特别是当金以较小的粒径分散在载体上时对气体的催化氧化具有很高的活性和选择性，而M的加入能限制金纳米颗粒的长大，同时双金属之间的相互作用有助于活性位的活化而促进反应。Co₃O₄纳米棒具有较大的比表面，能够较好的分散金属纳米粒子，用其作为载体，提高了金属的分散度，降低了贵金属用量,进而提高了催化剂活性、减少了甲醇渗透损失。本发明制备的阳极催化剂，对一氧化碳的转化率高，选择性好，且催化剂本身稳定性好。能避免造成Pt系阳极催化剂CO中毒，延长了电池的使用寿命。另外本发明的催化剂，贵金属用量极少，制造成本低。

在上述技术方案中，所述载体上负载双金属Au-Cu为活性组分。Au-Cu/ Co₃O₄催化剂，对一氧化碳选择性氧化效果最好，温度为60℃时CO转化率达到100%。

在上述技术方案中，所述载体上负载双金属Au-Pd为活性组分。

本发明的用于质子交换膜燃料电池的阳极催化剂的制备方法为：由以下步骤完成：

（a）制备Co₃O₄纳米棒：将Co(OAc)₂?4H₂O加入到乙二醇中，搅拌至完全溶解，然后在氮气保护下，加热至160-165 °C，滴入Na₂CO₃溶液，加入去离子水，然后在氮气保护下继续搅拌1.5-2.5 h，过滤，滤饼用去离子水洗涤去除无机盐，然后烘干、焙烧，得到Co₃O₄纳米棒；