[发明专利]一种燃料电池用金属粒子-液态金属催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池用金属粒子‑液态金属催化剂及制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。本发明解决的技术问题是提供一种燃料电池用金属粒子‑液态金属催化剂。该催化剂以石墨烯泡沫为载体，以复合金属粒子为填料，其中，复合金属粒子为将纳米金属粒子分散在液态金属中制备得到的，所述纳米金属粒子为锰、铁、钴、镍、铜、锌、钯、银中至少一种。本发明催化剂采用价格较便宜的金属为催化剂，将其分散于液体金属中，利用液态金属低熔点的特性，使得催化剂在燃料电池工作时，晶格界面充分暴露，催化活性强，可以替代传统的铂催化剂，用在质子交换膜燃料电池阴极中，可以提高燃料电池的电池性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池用金属粒子-液态金属催化剂及制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。由于燃料电池具有效率高、启动快、污染小等优点，被认为是继风力、水力和太阳能之后有希望大量提供电能的第四种发电技术，是一种绿色能源技术，可有效缓解目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题，实现能源的多元化。质子交换膜燃料电池（PEMFC）属于低温燃料电池，除了具备燃料电池的一般特定之外，还具有工作温度低、启动快、无电解液流失、无腐蚀、能量转化率高、寿命长、重量轻、体积小等特点，是便携式电源、分布式电站、未来电动汽车的理想替代电源。

PEMFC通常采用氢气和氧气（或氢气和空气）作为反应气体。其阴极和阳极分别发生如下反应：

阳极（负极）：2H₂→4H⁺ +4e^-

阴极（正极）：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

PEMFC的主要部件包括电极、电解质隔膜和双极板三部分，其中电极是PEMFC的核心组成部分，而电极性能是由催化剂性能、电极材料与制作工艺来决定的，其中，催化剂的性能又决定着大电流密度放电时的电池性能、运行寿命及成本等。因此，催化剂性能是关系到PEMFC能否真正走向商业化的重要因素，制备出性能优异、成本低廉、稳定性好的催化剂将有利于PEMFC走向商业化，最终为发电技术开辟新的途径。

迄今为止，PEMFC的阴极和阳极催化剂仍以铂（Pt）为主。比如，申请号为201510145774.8的发明专利公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极电催化剂及其制备方法，该质子交换膜燃料电池膜电极电催化剂，是由以下制备方法制得的：氧化石墨烯粉末加入多元醇中，超声分散得到氧化石墨烯醇溶液；取氯铂酸水溶液置于多元醇得到氯铂酸醇溶液；将上述制得的氧化石墨烯醇溶液和氯铂酸醇溶液混合；制得的混合溶液中加入碱溶液调节pH至8～12，转移至微波反应釜中，180～250W微波功率加热至80～180℃反应5～25min；反应液冷却，真空过滤；滤饼用有机溶剂和去离子水交替洗涤至滤液pH中性，再燥至恒重，得到Pt/石墨烯电催化剂。该发明采用铂为催化剂，由于其价格昂贵，含有铂的金属电极占到了燃料电池总成本的70%以上。但是，由于铂的稀缺与昂贵大大限制了PEMFC的大规模推广应用。因此，寻找高效廉价的可替代贵金属的催化剂成为该技术发展瓶颈，也是质子交换膜燃料电池领域的研究热点和前沿科学。

申请号为201710387693.8的发明专利公开了具有多孔结构的碳基非贵金属催化剂及其制备方法和应用，用尿素和对苯二甲酸为前驱体，负载过渡金属铁，通过在惰性气体下热解，在高温碳化过程中释放的气体可以产生大量的孔结构，克服了传统上非贵金属氧还原催化剂在制备过程中金属易于团簇，大大降低了催化剂的催化活性，同时前驱体在制备过程中对催化性能的提高没有明显的优势，因此致使这类催化剂虽有一定的电催化活性，但其性能还需进一步提高的缺陷。该催化剂主要是对催化剂的载体进行了改进，其负载的催化剂主要为铁，该催化剂虽然能够解决团聚的问题，但是，由于金属铁的活性较差，用于阴极催化剂时，其晶格活性难以有效的收集气体使氧还原，其催化活性有待进一步提高。