[发明专利]一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂，包括Pt催化剂和载体，所述载体背面涂覆有网状吸附层，所述吸附层为含氧化铜吸附层，本发明还提供上述一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂的制备方法。本发明使用金属氧化物浸渍后作为催化剂载体保护层，通过其对二氧化硫的选择性催化和吸附提高催化剂的使用寿命，防止催化剂中毒；氧化铜催化剂具有良好的电催化活性和稳定性，该保护膜通过将对二氧化硫进行选择性吸附，可以解决传统燃料电池阴极空气中引入的微量二氧化硫导致的Pt催化剂中毒问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种含氧化铜吸附层的燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池其单电池由阳极、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，阳极即电源负极，阴极即电源正极。在所述阳极中，通过催化剂经由氢气或甲醇的氧化产生质子。这些质子穿过所述质子传导膜并且到达所述阴极，在所述阴极中所述质子与氧气在催化剂的存在下反应，从而发电。因此，在具有如上所述的这样的结构的燃料电池中，所述催化剂的作用是关键性的。质子交换膜燃料电池由于使用空气作为氧气来源，Pt催化层易吸附空气中的微量二氧化硫等导致催化剂中毒，严重影响其催化效率及使用寿命，传统研究主要针对Pt催化剂本身改性如合金化等降低其二氧化硫中毒的影响，但效果不佳，因此针对抑制Pt催化剂中毒的研究具有十分重要的实际意义。

中国发明专利CN201610211099.9公开了一种花状铜/氧化铜微纳米复合材料负载贵金属燃料电池催化剂的制备方法，属于燃料电池催化剂的合成技术领域。本发明的技术方案要点为：以氯化铜为铜源，葡萄糖为碳源，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂和结构导向剂，去离子水为溶剂，水热合成花状铜/氧化铜微纳米复合材料，再将花状铜/氧化铜微纳米复合材料功能化后与贵金属前驱体在还原剂的作用下反应得到目标产物。本发明氧化铜作为过渡金属氧化物可以通过助催化作用，提高贵金属催化剂的活性，减少贵金属的用量，降低燃料电池催化剂的成本；载体中铜单质与氧化铜组成复合材料，铜的加入有效增强了材料电子传导性能，改善了过渡金属氧化物导电性差的问题。但是目前纳米多孔金属都是通过强酸或强碱等化学试剂将两元或多元合金中的活泼组分腐蚀掉制备的。由于强酸或强碱等强腐蚀性试剂的使用，制备过程中需要对操作人员进行有效的防护，生产设备也需要用耐腐蚀材料制作，从而增加了制备的成本。

中国发明专利CN201611138558.1公开了一种钯铁氧化物燃料电池催化剂，在活性炭上负载Pd和Fe元素，结构式为PdFe/C，所述PdFe负载量为20～50％；所述PdFe粒径为3.5～4.5nm。本发明还公开了该催化剂的制备方法。本发明首先制备负载型单分散纳米晶碳负载铁纳米晶Fe/C，并在水溶液中与钯盐溶液进行自发置换反应，由于钯前驱体的还原电势力高于铁金属电势力，从而得到双金属PdFe/C1催化剂；然后采用高纯氩气热处理得到PdFe/C2催化剂。本发明催化剂的金属负载量为20～50％，其具有对甲酸电催化氧化更强的催化能力、更高的催化效率、更强的抗一氧化碳中毒能力和较低成本等优点，可用于制备直接甲酸燃料电池催化剂。此发明这种结构是通过自发置换反应的方法制备的，制备工艺复杂，制备能力有限，严重限制了它的应用。

中国发明专利CN201610135099.5公开了一种提高燃料电池阳极催化剂抗中毒性的复合载体。将活化处理后的碳化钛和预处理后的碳材料按质量比0.1~1:1复合制得燃料电池阳极催化剂载体；所述的碳材料包括导电炭黑和多壁碳纳米管中的一种。该复合载体担载单一或多元贵金属后，制得质子交换膜阳极催化剂，应用于碱性燃料电池的有机小分子的阳极电催化氧化。相比其它单一碳载体，本发明的复合载体表面可以提供更多的含氧物种，这些含氧物种通过双功能机理可以促进催化剂上吸附反应中间物的氧化，有效地提高催化剂对中毒物种的抵抗能力，从而提高燃料电池的性能。