CN107994237B - 一种燃料电池用多金属催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池用多金属催化剂及其制备方法，该催化剂包括活性组分和载体，其中活性组分由Pt与过渡金属、稀土金属按摩尔比1：(2‑8)：(2‑5)组成，所述的载体为导电碳、蛭石按质量比100:10‑20的混合物，所述的Pt在载体上负载量为10～20wt％。通过浸渍法将活性组分负载在载体上得到催化剂。与现有技术相比，本发明催化剂大大提高了燃料电池的催化活性和寿命，同时降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体涉及燃料电池用多金属催化剂及其制备方法。
背景技术
燃料电池为可以直接将氧与包含在烃-基材料如甲醇、乙醇、天然气以及工业副产中的氢的电化学反应中产生的能量转化成电能的发电系统。
根据所使用的电解液的种类，燃料电池分为磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)，及碱性燃料电池(AFC)等。这些燃料电池具有基本相同的工作原理，但是在燃料的种类、工作温度、催化剂、电解液等方面彼此不同。
其中PEMFC具有更大的功率，可以在低的工作温度下运行，并具有快速启动和响应特性。PEMFC可以用于汽车、家庭和公共建筑、电子器件等。
在PEMFC的膜电极组件(MEA)中，聚合物电解液存在于阳极和阴极之间。在阳极发生由燃料产生氢离子和电子的氧化反应，所产生的氢离子经聚合物电解液膜迁移到阴极。在阴极发生由所迁移的氢离子和自外部供应的氧产生水的还原反应。
催化剂是该反应的的关键因素，目前在催化剂的选择方面，铂催化剂具有较高的催化活性，但是铂储量较少，价格昂贵，不利于产业化及商业化，因此，目前市场上用的最多的是钯催化剂，钯也属于稀有且昂贵的金属，为了降低成本提高催化剂活性，目前市场上推出了一些合金催化剂，主要包括Pt/Ru合金催化剂、Pt/Au合金催化剂、Pt/过渡金属合金催化剂等，以及将这些合金催化剂负载在C等载体上，提高其分散性，以便能维持或提高催化剂活性，同时降低催化剂价格。
如中国专利申请201710077495.1公开了一种钯合金催化剂及其制备方法与应用。本发明钯合金催化剂是由钯元素和贱金属元素形成的合金纳米颗粒，且所述合金纳米颗粒表面为多孔结构。该发明钯合金催化剂在钯金属中引入贱金属，降低了钯金属的含量，降低了钯合金催化剂的经济成本的同时，使得钯金属与贱金属发挥协同作用，并配合表面的多孔结构，赋予钯合金催化剂高的催化活性和稳定性。但是该催化剂寿命不长，综合成本还是难以降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种活性高、寿命长的燃料电池用多金属催化剂及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池用多金属催化剂，其特征在于，该催化剂包括活性组分和载体，其中活性组分由Pt与过渡金属、稀土金属按摩尔比1：(2-8)：(2-5)组成，所述的载体为导电碳、蛭石按质量比100:10-20的混合物，所述的Pt在载体上负载量为10～20wt％。
所述的过渡金属包括Co、Ni、Cr、Ti、Cu、Fe中的一种或几种，优选Cu和Fe。
所述的稀土金属包括La、Ce、Pr、Nd中的一种或几种，优选Ce。
所述的砭石为膨胀砭石。
所述的导电碳为比表面积为3000～5000m2/g的导电碳。
上述膨胀砭石和导电碳组成的载体是通过以下方法制得：将导电碳与蛭石置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到。
通过该方法处理后的蛭石为膨化砭石，是层状云母片组成电容器结构，是高绝缘材料，有较高的层电荷数，具有很强的电荷和离子吸附能力，还有很高的离子交换容量，导电碳通过该方法形成了比表面积为3000～5000m2/g的多孔导电碳，且膨化砭石均匀分散在多孔导电碳的孔道中，两者相互相成，形成了吸附性能高、离子通道多的反应场。
一种燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铂盐、过渡金属盐和稀土金属盐溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；
(2)将导电碳与蛭石置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min。
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，通过浸渍法将活性组分负载在载体上得到催化剂。在浸渍过程中可进行超声分散。
步骤(1)所述的铂盐、过渡金属盐和稀土金属盐为硝酸盐或盐酸盐。
步骤(1)中还可加入氨水调节混合溶液的pH值至10-12。
步骤(2)所述导电碳与蛭石在置于高温炉中之前先破碎至100μm以下；
步骤(3)所述的浸渍法是在常温下浸渍10-12h。
步骤(3)所得催化剂在200-300℃热处理2-3h后用做质子交换膜燃料电池中得催化剂。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.虽然Pt催化剂对于燃料电池来说具有高活性，但是由于采用的原料氢主要来源于工业副产氢，其中不可避免的含有有机物，在反应过程中会产生CO，造成催化剂中毒，寿命降低，本发明在活性组分中一方面采用廉价的过渡金属和稀土金属部分取代pt金属，降低成本，另一方面，可以与过渡金属和稀土金属原子与其邻近的Pt原子上吸附的CO分子进行羟基反应形成二氧化碳分子，因而，催化剂较少地被CO中毒，大大提高了催化剂的寿命。
2.本发明采用特殊方法制成膨化砭石-导电碳载体，具有大比表面积和多孔道结构，活性金属元素可以均匀分布在载体表面，同时将充分暴露活性表面，且在燃料电池运行后，能在层状云母片膨化砭石边缘逐渐堆积的电荷能，产生放电电离效应，促进H2和O2的电离，大大增强了反应活性。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种燃料电池催化剂通过以下方法制得：
(1)将Pt(NO3)2、Cu(NO3)2和Ce(NO3)3按摩尔比1：5：3溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；加入氨水调节混合溶液的pH值至11；
(2)将导电碳与蛭石破碎至100μm以下，置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min。
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，用量为使Pt在载体上的负载量为15wt％，常温下浸渍10-12h，且在浸渍过程中进行超声分散，得到催化剂。
(4)将所述催化剂在200℃热处理3h后用做质子交换膜燃料电池中的膜电极上。
实施例2
一种燃料电池催化剂通过以下方法制得：
(1)将Pt(NO3)2、Cu(NO3)2和Ce(NO3)3按摩尔比1：6：4溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；加入氨水调节混合溶液的pH值至10-12；
(2)将导电碳与蛭石破碎至100μm以下，置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min。
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，用量为使Pt在载体上的负载量为18wt％，常温下浸渍12h，且在浸渍过程中进行超声分散，得到催化剂。
(4)将所述催化剂在250℃热处理3h后用做质子交换膜燃料电池中的膜电极上。
实施例3
一种燃料电池催化剂通过以下方法制得：
(1)将Pt(NO3)2、Cu(NO3)2和Ce(NO3)3按摩尔比1：2：2溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；加入氨水调节混合溶液的pH值至10；
(2)将导电碳与蛭石破碎至100μm以下，置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应3天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min。
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，用量为使Pt在载体上的负载量为20wt％，常温下浸渍10h，且在浸渍过程中进行超声分散，得到催化剂。
(4)将所述催化剂在200℃热处理3h后用做质子交换膜燃料电池中的膜电极上。
实施例4
一种燃料电池催化剂通过以下方法制得：
(1)将Pt(NO3)2、Cu(NO3)2和Ce(NO3)3按摩尔比1：8：5溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；加入氨水调节混合溶液的pH值至12；
(2)将导电碳与蛭石破碎至100μm以下，置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min。
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，用量为使Pt在载体上的负载量为10wt％，常温下浸渍12h，且在浸渍过程中进行超声分散，得到催化剂。
(4)将所述催化剂在300℃热处理2h后用做质子交换膜燃料电池中的膜电极上。
相关性能测试，结果如下表所示：
从表中可以看出，本发明将过渡金属和稀土金属引入铂金属催化剂中，形成多金属催化剂，然后在特殊成分的载体上，大大提高了催化剂的活性和寿命，同时一般燃料电池铂金属催化剂或铂合金催化剂中Pt得用量一般为50-100％，最少的也在30％以上，本发明大大降低了贵金属的用量，降低了成本。且制备方法简单方便，易于工业化生产。
Claims (8)
1.一种燃料电池用多金属催化剂，其特征在于，该催化剂包括活性组分和载体，其中活性组分由Pt与过渡金属、稀土金属按摩尔比1：(2-8)：(2-5)组成，所述的载体是通过以下方法制得：将导电碳与蛭石置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到，设定高温炉的升温速度为30℃/min；其中导电碳、蛭石的质量比为100:10-20，所述的Pt在载体上负载量为10～20wt％；
通过该方法处理后的蛭石为膨化蛭石，导电碳通过该方法形成了比表面积为3000～5000m2/g的多孔导电碳。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用多金属催化剂，其特征在于，所述的过渡金属包括Co、Ni、Cr、Ti、Cu、Fe中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用多金属催化剂，其特征在于，所述的稀土金属包括La、Ce、Pr、Nd中的一种或几种。
4.一种如权利要求1-3中任一所述的燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铂盐、过渡金属盐和稀土金属盐溶解于去离子水中，形成均匀的活性组分混合溶液；
(2)将导电碳与蛭石置于高温炉中，在惰性气体的保护下迅速升温至1000℃反应2-3天得到载体；设定高温炉的升温速度为30℃/min；
(3)将步骤(1)所得活性组分混合溶液与步骤(2)所得载体进行混合，通过浸渍法将活性组分负载在载体上得到催化剂。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的铂盐、过渡金属盐和稀土金属盐为硝酸盐或盐酸盐。
6.根据权利要求4所述的燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中还加入氨水调节混合溶液的pH值至10-12。
7.根据权利要求4所述的燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述导电碳与蛭石在置于高温炉中之前先破碎至100μm以下；
步骤(3)所述的浸渍法是在常温下浸渍10-12h。
8.根据权利要求4所述的燃料电池用多金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)所得催化剂在200-300℃热处理2-3h后用做质子交换膜燃料电池中的催化剂。
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