[发明专利]一种燃料电池用核壳型金@钴‑硼催化剂

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池用催化剂技术领域，具体涉及一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂。

背景技术

燃料电池是一种电化学装置，它不经过卡诺循环直接将化学能转化为电能。目前，燃料电池技术已有了相当的发展，例如：质子交换膜燃料电池(PEMFC)。然而，燃料电池催化剂多采用贵金属，尤其是贵金属Pt为催化剂，由于贵金属含量有限，价格昂贵，因而限制了燃料电池的广泛发展。目前，二元或多元合金催化剂已有一定的研究，并在一定程度上降低了成本，但距广泛应用仍有一段距离，且催化性能仍有待提高。近几年来，核壳结构的纳米颗粒由于具有特殊的结构和表面性质，在催化和化工等领域受到广泛的关注。核壳型纳米颗粒是由一种纳米粒子通过化学键或其他相互作用将另一种纳米粒子包覆起来的有序组装结构。其可以将多种粒子的特性结合在一起，同时，也可能产生一些新的特性，这种结构的纳米材料比单一成分的纳米材料具有更好的物理化学性质。

CN201210120922.7介绍了一种燃料电池用碳载核壳型铜钯-铂催化剂及其制备方法。该方法运用了两步还原法，即先还原低活性金属，再还原活性贵金属，通过控制反应的温度和pH值，使贵金属在非贵金属的表面沉积，并辅以脱合金步骤，从而制成核壳型催化剂。该方法可以提高催化剂的催化效率和贵金属的利用率，促进燃料电池的发展。但该方法较为繁琐，且所得产物与以往的其它方法所得产物类似。

CN201310571244.0介绍了一种燃料电池用核壳结构催化剂。该方法运用脉冲电沉积制备方法。该催化剂的活性组分为具有核壳结构的纳米粒子，活性金属以超薄壳层的形式包覆在作为核的碳载体负载金属或合金纳米粒子表面；该催化剂以非铂贵金属或过渡金属作为核，以Pt、1r或Au一种以上作为壳。其制备方法为：首先将碳载体进行预处理，后将作为核的金属单质或合金的纳米粒子负载在碳载体上，得到作为核的碳载体负载金属单质或合金纳米粒子，即基底催化剂。将制作好的工作电极置于氮气饱和的0.1MHClO溶液中，以50mV/S的扫速从开路电压扫到-0.3～-0.2V,20圈后在-0.3～-0.2V的电位下暂停2min～4min，实现对基底催化剂纳米粒子表面的活化和还原；活化和还原完成后，迅速将电极转入氮气饱和的含有壳层金属盐、络合剂、导电助剂的电沉积溶液中，插入辅助电极与参比电极；设定脉冲频率、通导及断开时间、脉冲沉积总时间，然后开始脉冲电沉积，电沉积完成，即制得一种燃料电池用核壳结构催化剂。该方法可有效减少贵金属的使用量，大幅度降低燃料电池的成本，但操作方法复杂，步骤繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂。该核壳型催化剂为非晶态材料包裹晶态材料，区别于以往的“晶包晶”结构，该结构兼具非晶态材料和晶态材料的共同特性，催化性能优越，能有效提高燃料电池的放电性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂，其特征在于，该催化剂为具有核壳结构的金钴硼合金，其中钴-硼为非晶态，作为壳，金为晶态，作为核；该催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、配制钴盐和金盐的混合溶液，混合溶液中金元素和钴元素的摩尔比为(0.01～0.5)：1；

步骤二、将硼氢化物溶于去离子水中配制成硼氢化物溶液，然后向所述硼氢化物溶液中加入氢氧化物至溶液pH值为11～12，得到硼氢化物-氢氧化物混合溶液；所述硼氢化物为硼氢化钾或硼氢化钠，氢氧化物为氢氧化钾或氢氧化钠；

步骤三、在温度为10℃～20℃的搅拌条件下，将步骤二中所述硼氢化物-氢氧化物混合溶液以1mL/min～2mL/min的速度加入步骤一中所述混合溶液中，待反应无气体产生后继续搅拌1h～2h，过滤反应物料得到沉淀；所述硼氢化物-氢氧化物混合溶液的加入量为使硼元素的摩尔量为钴元素和金元素总摩尔量的2～5倍；

步骤四、将步骤三中得到的沉淀用去离子水反复洗涤至中性，然后用无水乙醇洗涤，真空干燥，得到核壳型金@钴-硼催化剂。

上述的一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂，其特征在于，步骤一中所述混合溶液中钴离子和金离子的总浓度为0.1mol/L～1mol/L。

上述的一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂，其特征在于，步骤二中所述硼氢化物溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L。

上述的一种燃料电池用核壳型金@钴-硼催化剂，其特征在于，步骤四中所述真空干燥的真空度为80Pa～100Pa，温度为60℃～80℃，时间为6h～8h。