[发明专利]一种复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合催化剂的制备方法，包括：制备氧化石墨烯：将石墨和硝酸盐加入强酸中制得酸性石墨溶液；将强氧化剂加入到所述酸性石墨溶液中搅拌；加入双氧水溶液，制得氧化石墨烯；合成复合催化剂：将所述氧化石墨烯加入到氯铂酸溶液中，制得悬浮液；将聚合物单体加入到所述悬浮液中，制得电沉积液；通过电沉积制备复合催化剂。本发明采用电沉积方法，将N掺杂于Pt/C催化剂中，既有效降低了Pt金属的用量也提高了催化剂的活性。本发明还公开了该复合催化剂，呈雪松针尖状结构，催化剂的大小为20nm～200nm，热重法测得贵金属Pt的含量为0.30～0.45mg/cm²。本发明还公开了该复合催化剂在燃料电池中的应用。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于燃料电池使用的复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEFCS)是一种电化学能量转换装置，可用于移动、固定和便携式的环保应用，这些装置与传统的内燃机相比，其具有功率密度大、效率高、启动和关闭快的优点，是一种很有前途的发电方式。然而，这些装置广泛的商业使用仍然受到它们在电极表面使用的催化剂的活性和稳定性的限制。

目前催化剂的载体主要是碳黑，再在高比表面积碳黑材料上负载Pt或Pt合金纳米粒子(Pt/C)。炭黑是一种方便的支撑材料，炭黑具有高表面积、高导电性和合适的孔隙率，所有这些性能参数都最大限度地提高了铂催化剂利用率，且方便电子传递和气体运输到催化剂的活性部位。

对于催化剂，常用的为Pt催化剂，Pt通常具有超高的氧还原电催化性能，但成本高、稳定性差、对甲醇的耐受性差，严重阻碍了其在燃料电池领域的进一步商业化。因此，开发成本低、活性高、稳定性好的氧还原催化剂将有助于其商业化。目前，主流催化剂开发有两个方向，一是开发合金催化剂，性能与Pt相仿，甚至更佳，但工艺复杂，且稳定性和寿命待考察；二是开发非贵金属催化剂，其成本显著降低，但电池性能和使用寿命明显不足，待进一步研究提高。

贵金属Pt催化剂制备工艺本身就比较复杂苛刻，目前的化学氧化法虽然制备的催化剂活性较高，但Pt含量较高，利用率很低，且在长期的运行中，Pt催化剂也会发生中毒等一系列的问题，严重影响催化剂的应用发展。

在保持电池性能与全Pt/C催化剂接近甚至性能更好的前提下，如何降低制造成本、摆脱了复杂的合成工艺和苛刻的条件、降低Pt的用量、提高Pt的催化利用率、克服非金属催化剂性能不足等一系列问题，成为燃料电池领域研究的重点。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种复合催化剂。

本发明的目的还在于提供上述复合催化剂的制备方法。本发明采用电化学沉积的方法，将N掺杂于Pt/C催化剂中，既有效降低了Pt金属的用量也提高了催化剂的活性。

本发明的目的还在于提供上述复合催化剂在燃料电池的应用。

本发明的技术方案如下：

一种复合催化剂的制备方法，包括：制备氧化石墨烯：将石墨和硝酸盐加入强酸中制得酸性石墨溶液；将强氧化剂加入到所述酸性石墨溶液中搅拌；加入双氧水溶液，制得氧化石墨烯；合成复合催化剂：将所述氧化石墨烯加入到氯铂酸溶液中，制得悬浮液；将聚合物单体加入到所述悬浮液中，制得电沉积液；通过电沉积制备所述复合催化剂。

进一步地，采用所述电沉积的方式为循环伏安法。

更进一步地，所述循环伏安法的循环电势范围为-0.2V～1.3V，电沉积循环次数为3c～20c。

进一步地，所述聚合物单体为吡咯、噻吩或苯胺中的一种。

进一步地，所述电沉积液在配置过程中，需持续通入氮气以去除氧气。