[发明专利]催化剂、其制备方法、包含所述催化剂的电极、膜-电极组件和燃料电池

说明书

本发明涉及一种催化剂、该催化剂的制备方法、包含所述催化剂的电极、膜‑电极组件和燃料电池，所述催化剂包含：载体；由所述载体负载的金属粒子；和位于所述金属粒子上的涂层，该涂层包含选自酞菁、M‑酞菁(其中，M是过渡金属)和它们的混合物中的任意一种。由于在没有单独处理的情况下通过相对容易的方法在市售催化剂或常规催化剂的表面上形成涂层，因此所述催化剂具有改善的耐久性，由于通过对包含所述涂层的催化剂进行后处理形成碳涂层，因此耐久性得到进一步改善，并且通过在后处理过程中产生的碳纳米纤维或碳纳米管，物质传递能力和性能也得到改善。

技术领域

本公开涉及一种催化剂、该催化剂的制备方法、包括所述催化剂的电极、膜-电极组件和燃料电池。更具体地，本公开涉及一种催化剂、该催化剂的制备方法、包括所述催化剂的电极、膜-电极组件和燃料电池，所述催化剂在没有单独处理的情况下通过相对容易的方法在市售催化剂或常规催化剂的表面上形成涂层而被赋予改善的耐久性，通过包含所述涂层的催化剂的后处理以形成碳涂层而被赋予进一步改善的耐久性，并且通过在后处理过程中产生的碳纳米纤维或碳纳米管而被赋予改善的质量传递能力和性能。

背景技术

燃料电池是将来自诸如甲醇、乙醇或天然气的烃类物质中包含的氧和氢之间的化学反应的能量直接转换为电能的发电系统。这种燃料电池的一个典型实例是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为下一代能源备受关注，并且由于其在汽车领域的优点如环境友好性，正在积极地进行其商业化的研究。

在燃料电池系统中，实质上发电的膜-电极组件(MEA)具有包含质子传导聚合物的聚合物电解质膜插入在阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)之间的结构。各个电极使用催化剂、离聚物、溶剂和添加剂的混合物形成，并且在这些组成成分中，催化剂是决定燃料电池的活性和耐久性的主要因素。

作为在氧化电极和还原电极中使用的催化剂，最广泛使用的是Pt/C催化剂，其包括负载在具有大的比表面积和优异的导电性的碳载体上的铂纳米粒子。然而，Pt/C催化剂由纯的昂贵金属铂制备，因此，成为增加催化剂的价格的主要因素。当由于氧在阴极的还原反应而使氧吸附在铂表面上时，产生氧化铂。此时，产生的过电压引起约30％的能量损失，这是延迟商业化的主要因素。

另外，除了运输用燃料电池的要求之外，为了应对近来对提高耐久性的要求，已经使用高度结晶的碳例如石墨化碳、碳纳米管和石墨烯作为载体以提高耐久性。然而，即使在这种情况下，当运行燃料电池时，也发生与催化剂粒子的聚集或其从载体解吸有关的问题，它们主要是由于热力学特性，其中，催化剂如铂通过氧物质溶解、铂粒子聚集和碳载体腐蚀。

发明内容

技术问题

因此，本公开的一个目的是提供一种催化剂，该催化剂在没有单独处理的情况下通过相对容易的方法在市售催化剂或常规催化剂的表面上形成涂层而被赋予改善的耐久性，通过包含所述涂层的催化剂的后处理以形成碳涂层而被赋予进一步改善的耐久性，并且通过在后处理过程中产生的碳纳米纤维或碳纳米管而被赋予改善的质量传递能力和性能。

本公开的另一目的是提供一种所述催化剂的制备方法。

本公开的另一目的是提供一种包含所述催化剂的电极。

本公开的另一目的是提供一种包括所述电极的膜-电极组件。

本公开的另一目的是提供一种包括所述膜-电极组件的燃料电池。

技术方案

为了解决上述技术问题，根据本公开的一个方面，提供一种催化剂，包含：载体、负载在所述载体上的金属粒子和设置在所述金属粒子的表面和所述载体的表面上的涂层，该涂层包含选自酞菁、M-酞菁(其中，M是过渡金属)和它们的混合物中的任意一种。