[发明专利]一种燃料电池用电催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂在燃料电池中的应用，作为燃料电池的阴 极催化剂应用于燃料电池中。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置。催化剂作 为电池组成的关键材料之一，其稳定性直接决定着电池的耐久性。目 前燃料电池多以碳担载的铂作催化剂，铂高昂的价格及碳载体较差的 耐腐蚀性，使得燃料电池的成本较高且无法满足电池长期运行的要 求，阻碍了其商业化进程。研究表明，提高载体的耐腐蚀性可有效提 高催化剂的稳定性，延长电池寿命。

金属氧化物多以其最高价态存在于自然界中，因此具有良好的稳 定性，将其作为催化剂载体具有一定的优势。中国专利CN103022520A 公开了一种以模板法制备的介孔WO₃为载体的Pt/WO₃催化剂，将其用 作质子交换膜燃料电池阳极催化剂时具有优异的电化学活性和稳定 性。中国专利CN103140974A公开了一种以金红石型Ti-Nb复合氧化 物为载体的燃料电池催化剂，该氧化物作为催化剂载体时具有高的电 导率和良好的耐酸腐蚀性。然而，目前对于催化剂载体的研究，很难 同时满足高比表面积、高电导率和高稳定性的要求。研究者们从选材 及合成方法出发制备出了多种金属氧化物材料，以期同时满足上述要 求。

锑掺杂氧化锡(ATO)由于具有较高的电导率、良好的稳定性及 合成方法多样性，成为近年来的研究热点。中国专利CN103007935A 公开了一种Pt/锑掺杂二氧化锡-石墨烯催化剂的制备方法，将其用 做直接甲醇燃料电池阳极催化剂时，表现出了良好的电催化氧化活性 和抗CO中毒性能。中国专利CN102074712B公开了一种Pt-ATO/C催 化剂的制备方法，该法制备的催化剂高度分散、颗粒大小均一，表现 出了很好的电催化氧化活性和效率。然而合成方法中高温煅烧步骤会 导致颗粒烧结，比表面积降低。

水热法在高温高压密闭容器中合成材料，所需温度较低，且不需 后续焙烧步骤，因此制备方法耗时短、颗粒团聚少，是一种制备高比 表面积ATO的方法。我们将水热法制备的ATO与碳黑混合制备ATO-C 复合载体材料，担载活性组分后制备成催化剂，将该催化剂用作燃料 电池阴极催化剂时具有优于商业化铂碳的催化活性和稳定性。

发明内容

本发明涉及一种燃料电池用电催化剂，以锑掺杂氧化锡与碳黑的 复合物为载体，Pt或Pt与Pd、Ir、Ru、Ni、Co、Cu、Fe、Mo、Cr、 Ti中的一种金属组成活性组分；载体中锑掺杂氧化锡与碳黑的质量 比为0.1～3；锑掺杂氧化锡中锑摩尔含量为0.5％～10％；活性组分于 催化剂中的质量含量为30％～40％；Pt于催化剂中的质量含量10％～ 20％。

本发明采用的技术方案如下：

(1)水热法制备锑掺杂氧化锡(ATO)：将锡粉(1～5g)、三氧 化二锑粉(Sb和Sn的摩尔比为1:100～10:100)、质量浓度65～68％ 浓硝酸(10～50mL)和水(10～100mL)混合均匀后于100～200℃下 反应5～15h，经离心、水洗、烘干、研磨制得ATO粉末；

(2)将上述ATO粉末和碳黑均匀分散于非水溶剂中，超声磁搅 均匀，得到ATO-碳黑复合载体溶液，其中ATO浓度为0.1～10mg/mL， 碳黑浓度为0.1～10mg/mL；

(3)将活性组分的可溶性前躯体加入到还原剂的水溶液中于 20～100℃下反应1～10h，再将反应后的溶液与上述步骤(2)制备 的ATO-碳黑复合载体溶液按所需比例在室温下混合磁力搅拌10～ 24h后，经离心、洗涤、真空干燥，得到最终产物。

所述混合过程为室温磁搅或超声震荡。

所述碳黑为XC72。

所述非水溶剂为无水乙醇。

所述活性组分为Pt或Pt与Pd、Ir、Ru、Ni、Co、Cu、Fe、Mo、 Cr、Ti中的一种金属组成；活性组分的可溶性前躯体为Pt或Pt与 Pd、Ir、Ru、Ni、Co、Cu、Fe、Mo、Cr、Ti中的一种金属的硫酸盐、 硝酸盐、卤化物、络合物、氢卤酸或氢卤酸盐中的一种或二种以上。

所述还原剂为嵌段共聚物、硼氢化钠或甲醛；还原剂的水溶液的 质量浓度为10～200mg/mL，活性组分的可溶性前躯体与还原剂的摩 尔比例1～100，嵌段共聚物为F127或P123。