[发明专利]一种燃料电池用核壳结构催化剂及其脉冲电沉积制备方法

摘要

本发明公开了一种燃料电池用核壳结构催化剂及其脉冲电沉积制备方法，该催化剂的活性组分为具有核壳结构的纳米粒子，活性金属以超薄壳层的形式包覆在作为核的碳载体负载金属或合金纳米粒子表面；该催化剂以非铂贵金属或过渡金属作为核，以Pt、Ir或Au一种以上作为壳。制备方法为：作为核的纳米粒子的制备，脉冲电沉积的工作电极的制作，脉冲电沉积制备得到催化剂；该催化剂可用作低温燃料电池的阳极或者阴极催化剂；所得的催化剂具有很高的稳定性，与欠电位沉积比较，其操作简便，无需惰性气氛保护，更适合于大规模工业化生产。且可大幅度减少燃料电池的贵金属使用量，大幅度降低燃料电池的成本，对促进燃料电池的商业化进程具有重要意义。

主权项

一种燃料电池用核壳结构催化剂的脉冲电沉积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备作为核的碳载体负载金属或合金纳米粒子：首先将碳载体进行预处理，后将作为核的金属单质或合金的纳米粒子负载在碳载体上，得到作为核的碳载体负载金属单质或合金纳米粒子，即基底催化剂；所述金属单质包括 Ru, Pd, Rh, Ir, Ag, Au, Co或Ni；所述合金包括由Ru, Pd, Rh, Ir, Ag, Au, Co或Ni中任意两种组成的二元合金或由Ru, Pd, Rh, Ir, Ag, Au, Co或Ni中任意三种组成的三元合金；所述碳载体包括XC‑72R碳黑，纳米碳管，石墨烯；金属单质或者合金纳米粒子在碳载体上的负载量为10wt%‑40wt%，纳米粒子的大小为1‑10 nm；所述将作为核的金属单质或合金的纳米粒子负载在碳载体上的方法为：浸渍‑还原法、硼氢化钠还原法或高压有机溶胶法； （2）用于脉冲电沉积的工作电极的制作：通过方法一或方法二制备而成；其中方法一为：称取基底催化剂，加入含有粘合剂的醇类溶液中，超声分散制成催化剂浆料，取催化剂浆料涂覆在作为工作电极基体的表面，干燥后即制得用于脉冲电沉积的工作电极；所述粘合剂包括聚四氟乙烯乳液、全氟磺酸树脂乳液或氟碳树脂乳液，使用量质量百分数为以干聚合物树脂计占催化剂量的1%‑30%；所述醇类包括乙醇或异丙醇；所述工作电极基体包括玻璃碳、铂片、钛片或镀铂钛片；所述干燥的方式包括红外灯下照射干燥、烘箱中干燥或自然风干干燥；方法二为：将基底催化剂直接加入用于电沉积的含有壳层金属的工作溶液中，搅拌条件下，接触阴极基体的基底催化剂形成工作电极；（3）脉冲电沉积，将制作好的工作电极置于氮气饱和的0.1 M HClO4 溶液中，以50 mV/s的扫速从开路电压扫到‑0.3~ ‑0.2 V，20圈后在‑0.3~ ‑0.2 V的电位下暂停2‑4 min，实现对基底催化剂纳米粒子表面的活化和还原；活化和还原完成后，迅速将电极转入氮气饱和的含有壳层金属盐、络合剂、导电助剂的电沉积溶液中，插入辅助电极与参比电极；设定脉冲频率、通导及断开时间、脉冲沉积总时间，然后开始脉冲电沉积，电沉积完成，即制得一种燃料电池用核壳结构催化剂。