[发明专利]碱性燃料电池用复合催化剂及其制备方法、碱性燃料电池

说明书

本发明提供了一种碱性燃料电池用复合催化剂及其制备方法和碱性燃料电池，涉及燃料电池技术领域。复合催化剂包括M‑N‑C型催化剂、铂族贵金属纳米颗粒和CeO_x纳米颗粒，M包括非贵金属，铂族贵金属纳米颗粒负载于M‑N‑C型催化剂表面，构成贵金属/非贵金属复合催化剂，CeO_x纳米颗粒负载于贵金属/非贵金属复合催化剂表面。本发明的催化剂为Pt族金属/M‑N‑C/CeO_x复合结构，有助于形成较小直径的贵金属纳米颗粒并使其分散均匀，提高催化活性，有助于阴极催化剂层的保水，CeO_x纳米颗粒可以将非贵金属在氧气还原反应过程中形成的中间态自由基消除，避免自由基腐蚀非贵金属载体。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种碱性燃料电池用复合催化剂及其制备方法和碱性燃料电池。

背景技术

氢-氧燃料电池的比能量高、环境友好，作为零碳排放的发电装置在动力电源和固定电站等领域具有广阔的应用前景，氢-氧燃料电池根据阴阳两极的反应机理差别可以分为酸性燃料电池和碱性燃料电池，贵金属铂(Pt)和铂基催化剂是目前用于氧还原反应(ORR)的最有效的材料,应用最为广泛。但是Pt存在着储量少、价格不菲、耐久性差等问题，使得其应用受到限制。

为解决上述问题，现有技术采用将铂族贵金属负载到载体上以减少贵金属的用量，目前常用的载体为碳载体。然而，碱性燃料电池在使用中存在阳极水淹和阴极过干的问题，疏水的碳载体会使得碱性燃料电池阴极加速过干，导致催化剂利用率过低，催化层离子导电阻力过高，进而影响催化效果。

发明内容

本发明解决的问题是现有碱性燃料电池催化剂利用率低，催化效果差。

为解决上述问题，本发明提供一种碱性燃料电池用复合催化剂，包括M-N-C型催化剂、铂族贵金属纳米颗粒和CeO_x纳米颗粒，其中，M包括非贵金属，所述铂族贵金属纳米颗粒负载于所述M-N-C型催化剂表面，构成贵金属/非贵金属复合催化剂，所述CeO_x纳米颗粒负载于所述贵金属/非贵金属复合催化剂表面。

较佳地，所述CeO_x纳米颗粒的载量为所述贵金属/非贵金属复合催化剂用量的2wt.％-20wt.％。

较佳地，所述铂族贵金属纳米颗粒的载量为所述M-N-C型催化剂用量的2wt.％-10wt.％。

相对于现有技术，本发明所述的碱性燃料电池用复合催化剂具有以下优势：

本发明所述的碱性燃料电池用复合催化剂以非贵金属M-N-C型催化剂为载体，在其上负载铂族贵金属纳米颗粒，得到贵金属/非贵金属复合催化剂，并进一步在贵金属/非贵金属复合催化剂表面负载CeO_x(氧化铈)纳米颗粒，得到具有Pt族金属/M-N-C/CeO_x复合结构的碱性燃料电池用复合催化剂。

一方面，M-N-C型催化剂来源丰富、价格低廉，在ORR中具有极强的电化学活性以及耐腐蚀性，同时M-N-C型催化剂拥有较高的表面积和较大的孔径，高表面积的载体有助于形成更小直径的贵金属纳米颗粒，从而提高贵金属催化剂的有效活性面积，因此本发明采用高表面积的M-N-C型催化剂作为铂族贵金属纳米颗粒的载体，有助于形成更小直径的铂族贵金属纳米颗粒，同时有助于使低载量的铂族贵金属纳米颗粒均匀地分散在载体上，避免纳米颗粒团聚，从而提高铂族贵金属的有效活性面积和催化活性。另外，M-N-C型非贵金属催化剂作为载体相较于传统的碳载体拥有一定的催化活性，因此将其作为载体与铂族贵金属纳米颗粒形成复合结构，可进一步提高催化层的整体催化活性，弥补因为低载量的铂族贵金属造成的高电流下的催化层活性不足的问题，提高整体催化剂的催化活性，并在催化强度一定时，使铂族贵金属载量得到最大程度的降低，节约成本。此外，在碱性燃料电池中，水是重要的产物，阴极催化剂层的亲水性尤为重要。M-N-C型催化剂具有较强的亲水性，有助于碱性燃料电池阴极催化剂层的保水，为催化反应提供足够的反应水。