[发明专利]一种高性能含过渡金属的催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体的说是一种高性能含过渡金属的催化剂、制备方法及其应用。本发明在作为电子导体的碳材料内掺杂过渡金属或其氧化物，然后在其表面担载铂纳米线，形成高性能的铂类催化剂。过渡金属与贵金属铂相比，价格低，引入碳载体中可提升载体的稳定性，同时提升催化剂的性能。过渡金属与铂形成协同效应可降低铂的使用量，降低燃料电池膜电极成本的同时提升燃料电池性能，解决了现有燃料电池存在的不足。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体的说是一种高性能含过渡金属的催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

氢燃料电池汽车具有零排放、续驶里程长、燃料加注快的典型特点，是未来汽车行业发展的重要趋势之一。同时，发展氢燃料电池汽车，对改善能源结构，发展低碳交通，具有非常显著的意义。

制约氢燃料电池汽车推广应用的因素，除如加氢站等基础设施的缺失以及运输和安全等问题外，高昂的成本也是关键因素之一。燃料电池电堆对燃料电池汽车的性能有重要影响，膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆的重要组成部分之一，其成本占到整个电堆的60％以上。膜电极主要由质子交换膜、催化剂层以及气体扩散层组成，其中催化层可进一步分为催化剂碳载体和催化剂。膜电极成本高昂的主要原因是采用了具有良好催化性能的贵金属催化剂铂。

在PEMFC催化剂的研究领域，主要通过采用新型耐蚀的催化剂载体和高效耐久的催化活性成分来提高催化剂的稳定性及活性。目前对于载体的研究集中在改性碳黑颗粒、碳纳米管、介孔碳、石墨烯以及过渡金属和杂原子掺杂等。催化剂制备通常是由将铂颗粒担载到活性碳材料上。在实际使用过程中，催化剂的活性会降低，其主要原因为铂颗粒的团聚长大、铂的流失与溶解以及碳载体的腐蚀。而这与碳材料由于自身结构以及表面性质存在缺陷和不足，铂颗粒不能均匀、分散、牢固的吸附在碳材料表面相关，使得铂的用量虽然较大但却不满足实际使用要求。

发明内容

本发明提供了一种高性能含过渡金属的催化剂、制备方法及其应用，在作为电子导体的碳材料内掺杂过渡金属或其氧化物，然后在其表面担载铂纳米线，形成高性能的铂类催化剂。过渡金属与贵金属铂相比，价格低，引入碳载体中可提升载体的稳定性，同时提升催化剂的性能。过渡金属与铂形成协同效应可降低铂的使用量，降低燃料电池膜电极成本的同时提升燃料电池性能，解决了现有燃料电池存在的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种高性能含过渡金属的催化剂，包括催化剂碳载体和催化剂，其中，所述催化剂的担载量为10-70wt％；所述催化剂碳载体由含碳材料和过渡金属组成；所述碳材料为导电碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、碳微球或石墨粉中的一种或两种以上的混合物；所述过渡金属为铜、钴、镍、铁等金属或其氧化物一种或两种以上的混合物；所述过渡金属占催化剂碳载体重量的45-85wt％；所述催化剂为铂类催化剂，其微观形态为纳米线，尺寸为2-10nm；所述铂类催化剂为含铂的化合物，在溶剂和稳定剂存在下，经醇类还原剂还原制得；所述含铂的化合物，为乙酰丙酮铂、氯铂酸、二氯二氨合铂中的一种或两种以上的混合物；所述溶剂为二苯醚、甲苯、二甲苯中的一种或两种以上的混合物；所述稳定剂为油酸、油胺、硬脂酸、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上的混合物；所述醇类还原剂为乙二醇、1，2-十六烷二醇、1，2-十四烷二醇中的一种或两种以上的混合物。

一种高性能含过渡金属的催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、催化剂碳载体的制备；具体如下：

11)在650-750℃的加热电阻炉中，加入过渡金属，通入流量为1-3L/h的乙炔气体，同时通入流量为50-150L/h的氮气或大气，反应1-8h，冷至室温；

12)在650-800℃的加热电阻炉中，真空压力为0.1-0.3MPa，保持氮气通入，反应1-3h，冷至室温，即制得碳材料包覆的过渡金属电子导体；