CN114597425A - 用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法，所述催化剂复合物可以抑制燃料电池中的电池电压反转。所述催化剂复合物包括载体、第一催化活性材料和第二催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种，并且所述载体包括含氧官能团。

Description

用于燃料电池的催化剂复合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种催化剂复合物及其制备方法，所述催化剂复合物可以抑制由于电池电压反转而发生的问题。
背景技术
用于车辆的燃料电池需要在各种驱动条件下具有数十千瓦或更高的高输出性能，因此必须在较宽的电流密度范围内运行。
膜电极组件(MEA)位于燃料电池堆的单元电池结构的最内部位置。MEA包括阴极、阳极和位于阴极和阳极之间以在两个电极之间传输质子的电解质膜。
气体扩散层(GDL)和垫圈堆叠在阴极和阳极的外表面上。隔膜(或双极板)设置在GDL的外部并且构造成提供流场，反应气体、冷却水和由于反应而产生的水在所述流场中流动。
燃料电池中发生的电化学反应如下。供应至燃料电池阳极(作为氧化电极)的氢分离成质子和电子。质子和电子分别通过电解质膜和外电路移动至作为还原电极的阴极。在阴极，质子和电子与氧分子反应，从而产生电和热，同时产生作为副产物的水。
当燃料电池中存在适量的水时，水适当地用于维持MEA的潮湿，但是，当燃料电池中存在过量的水时，会在高电流密度下发生溢流。溢流的水会干扰反应气体向燃料电池内部的供应。
当由于燃料电池中的水溢流、冬季结冰、供氢设备异常等导致阳极中用作燃料的氢的量不足时，会发生电池电压反转。这种电池电压反转对燃料电池的性能有致命的影响，并因此大大降低电池电压。
具体而言，当阳极中氢气的量不足时，阳极电压V阳极增加。当阳极电压V阳极不断增加时，阳极电压V阳极变得大于阴极电压V阴极，从而燃料电池达到电池电压V电池小于0(V电池＝V阴极–V阳极<0)的电池电压反转状态。
在电池电压反转状态下，将发生如下所述的水电解。
H2O→1/2O2+2H++2e-，E0＝1.229V(vs.SHE)
此处，E0为标准电极电位，SHE为标准氢电极。
然而，当此后阳极电压V阳极不断增加时，阳极处的碳腐蚀加速，这将在下面描述。
C+2H2O→CO2+4H++4e-，E0＝0.207V(vs.SHE)
C+H2O→CO+2H++2e-，E0＝0.518V(vs.SHE)
此外，当电池电压反转状态持续并因此电池电压变得小于约-2V时，燃料电池过度放热，因此可能损坏MEA和GDL。此外，可能导致严重的问题，例如在MEA中形成针孔和燃料电池的单元电池的电短路。
以往，为了防止电池电压反转状态的持续，提出了使用传感器等监视氢供应状态的系统，但该方法不能从根本上解决上述问题。
公开于该发明背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可包括的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
在一个优选的方面，提供了一种催化剂及其制备方法，所述催化剂在燃料电池发生电池电压反转时可引起水电解而不是碳腐蚀。在一个优选的方面，提供了一种催化剂及其制备方法，其中高含量的催化活性材料均匀地负载在载体上。
还提供了一种具有优异耐久性的催化剂及其制备方法，所述催化剂增加了载体和催化活性材料之间的结合力，从而即使在恶劣的条件下(例如电池电压反转)也能保持活性。
一方面，提供了一种用于燃料电池的催化剂，包括载体、第一催化活性材料和第二催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种。特别地，载体可包括含氧官能团。
载体可包括碳材料和官能团，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种，所述官能团键合至或连接至碳材料的碳原子。
官能团可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
载体可以构造成使得在C1s X射线光电子能谱(XPS)中表示C-O键合能的载体峰面积的总和等于或大于载体峰总面积的约35％。
载体可以构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比(D/G)等于或大于约1.1。
第二催化活性材料可以连接至包含在官能团中的氧。
铂合金可以为铂与一种或多种选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)和锡(Sn)的过渡金属的合金。
第二催化活性材料可包括选自铱(Ir)、钌(Ru)、铱氧化物(IrOx)、钌氧化物(RuOx)、钛氧化物(TiOx)、锰氧化物(MnOx)、铱-钌氧化物(Ir-RuOx)、铂-铱(Pt-Ir)、铂-铱氧化物(Pt-IrOx)、铱-钯(Ir-Pd)、铑(Rh)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)和钼(Mo)、铝(Al)中的一种或多种。
第一催化活性材料可包括铂，第二催化活性材料可包括铱氧化物(IrOx)，并且铂与铱的重量比可为约1:0.5-1。
一方面，提供了一种制备用于燃料电池的催化剂的方法。该方法可包括制备包括除铂以外的贵金属的溶液；将负载有铂组分的载体放入溶液中，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种；将除铂以外的贵金属加载在载体上；将加载在载体上的除铂以外的贵金属氧化。特别地，载体可包括含氧官能团。
在溶液中，除铂以外的贵金属可以以纳米颗粒的形式存在。
载体可包括碳材料和官能团，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种，所述官能团键合至碳材料的碳原子。
官能团可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比(D/G)等于或大于约1.1。
该方法还可包括将通过将负载有铂组分的载体放入溶液中而获得的产物的pH调节至约0.5-3，使得除铂以外的贵金属加载在载体上。
负载在载体上的除铂以外的贵金属可以通过在约250℃至350℃的温度下热处理约1小时至5小时而被氧化。
一方面，提供了一种制备用于燃料电池的催化剂的方法。该方法可包括制备包括除铂以外的贵金属的溶液；将载体放入溶液中，将除铂以外的贵金属负载在载体上；通过氧化负载在载体上的除铂以外的贵金属来制备第一催化剂；以及将包含铂或铂合金中的至少一种的第二催化剂与第一催化剂混合。载体可包括含氧官能团。
官能团可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
载体可以构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比(D/G)等于或大于约1.1。
加载在载体上的除铂以外的贵金属可以通过在约250℃至350℃的温度下热处理约1小时至5小时而被氧化。
下文公开了本发明的其他方面。
附图说明
接下来将参照由所附附图显示的本发明的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅以说明的方式给出，因而对本发明是非限定性的，在这些附图中：
图1示出了根据本发明示例性实施方案的用于燃料电池的示例性催化剂；
图2A示出了负载有第一催化活性材料的示例性载体；
图2B示出了负载有第一催化活性材料和第二催化活性材料的示例性载体；
图3示出了根据本发明示例性实施方案的制备用于燃料电池的催化剂的示例性方法；
图4为示出根据实施例和比较例2的载体的C1s X射线光电子能谱(XPS)分析结果的图；
图5为示出根据实施例、比较例1和比较例2的催化剂的拉曼分析结果的图；和
图6为示出包括根据实施例、比较例1和比较例2的催化剂的燃料电池的电池电压反转保持时间的图。
应当理解，附图不一定按比例绘制，其呈现了说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的表示。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境决定。
在这些图中，附图标记在贯穿附图的多幅图中指代本发明的相同或等同的部件。
具体实施方式
根据本文以下参照所附附图而给出的实施方案的描述，本发明的上述目的、其他目的、优点和特征将变得显而易见。然而，本发明不限于在本文公开的实施方案，而是可以以各种不同的形式实施。提供实施方案是为了使本发明的描述透彻并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
在以下实施方案的描述中，用相同的附图标记来表示相同的元件，即使相同的元件在不同的附图中描述时。在附图中，为了清楚起见，与实际尺寸相比，结构的尺寸可能被放大。在以下实施方案的描述中，诸如“第一”和“第二”的术语可以用于描述不同的元件，但不限制这些元件。这些术语仅用于将一个元件与其他元件进行区分。例如，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以将第一元件命名为第二元件，并且类似地，可以将第二元件命名为第一元件。除非单数表达具有明显不同的上下文含义，否则它们可包括复数表达。
在以下实施方案的描述中，诸如“包括”和“具有”的术语解释为表明说明书中陈述的特征、数字、步骤、操作、元件或部件或其组合的存在，并且不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，或加入其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的可能性。另外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或板的部件称为在另一部件“上”时，该部件可以“直接”位于另一部件上或其他部件可以插入这两个部件之间。以相同的方式，将理解的是，当诸如层、膜、区域或板的部件称为在另一部件“下”时，该部件可以“直接”位于另一部件下或其他部件可以插入这两个部件之间。
说明书中使用的代表组分、反应条件、聚合物组成和共混物的量的所有数字、值和/或表达均为近似值，其中反映了从本质上不同的事物获取这些值时所产生的测量中的各种不确定性，因此，除非另有说明，否则应理解为它们由术语“约”进行修改。除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约”理解为在本领域的正常公差范围内，例如均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文明确说明，否则本文所提供的所有数值均通过术语“约”进行修改。
另外，将理解的是，如果在说明书中公开了数值范围，则除非另有说明，否则该范围包括从该范围的最小值到最大值的所有连续值。此外，如果这样的范围是指整数，则除非另有说明，否则该范围包括从最小整数到最大整数的所有整数。例如，“5至10”的范围将理解为包括任何子范围，例如6至10、7至10、6至9、7至9等，以及5、6、7、8、9和10的各个值，并且还将理解为包括所述范围内的有效整数之间的任何值，例如5.5、6.5、7.5、5.5至8.5、6.5至9等。另外，例如，“10％至30％”的范围将理解为包括诸如10％至15％、12％至18％、20％至30％等的子范围，以及包括10％、11％、12％、13％等直至30％的值的所有整数，并且还将理解为包括所述范围内有效整数之间的任何值，例如10.5％、15.5％、25.5％等。
图1示出了根据本发明示例性实施方案的用于燃料电池的示例性催化剂。例如，催化剂包括载体10、第一催化活性材料20和第二催化活性材料30，所述第一催化活性材料20负载在载体10上并构造成激活氢的氧化反应和/或氧的还原反应，所述第二催化活性材料30负载在载体10上并构造成在发生电池电压反转时激活水电解。
通常，将RuO2、IrO2、TiO2等加入至燃料电池中，使得当燃料电池发生电池电压反转时，主要发生水电解而不是碳腐蚀。然而，因为简单地将RuO2、IrO2、TiO2等加入至燃料电池中，其颗粒可能会团聚并因此具有减小的比表面积，或者可能会泄漏从而难以引发所需水平的水电解。
根据本发明示例性实施方案的催化剂构造成使得第一催化活性材料20和第二催化活性材料30均负载在载体10上，从而克服了常规催化剂的上述问题。
此外，根据本发明示例性实施方案的催化剂构造成将含氧官能团施加至载体10，因此增加了载体10和第二催化活性材料30之间的结合力，从而即使在恶劣的条件下(例如电池电压反转)，也能激活水电解而不释放第二催化活性材料30的情况。
图2A示出了负载有第一催化活性材料20的示例性载体10。图2B示出了负载有第一催化活性材料20和第二催化活性材料30的示例性载体10。
如图2A所示，载体10可包括碳材料11和官能团12，所述碳材料11构造成提供负载第一催化活性材料20的空间，所述官能团12键合至碳材料11的碳原子11a。
然而，载体10可以为非碳材料。例如，载体10可以为非碳材料，例如氧化物、氮化物、碳化物等。
碳材料11可包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种。
碳材料11可以为颗粒碳材料、介孔碳材料、分层碳材料等。
含氧官能团12可包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
如图2B所示，第二催化活性材料30可以在第二催化活性材料30键合至官能团12中包含的氧原子的状态下负载在载体10上。因为第二催化活性材料30通过与官能团12的化学键合而负载在载体12上，所以即使在恶劣的条件下(例如电池电压反转)也不会释放第二催化活性材料30，并且可以激活水电解。
第一催化活性材料20可包括选自铂和铂合金中的一种或多种。
铂合金不限于特定合金，并且例如可包括铂与一种或多种选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)和锡(Sn)的过渡金属的合金。
第二催化活性材料30可包括一种或多种除铂以外的贵金属或其氧化物。第二催化活性材料30可包括选自铱(Ir)、钌(Ru)、铱氧化物(IrOx，x为1或2)、钌氧化物(RuOx，x为1或2)、钛氧化物(TiOx，x为1或2)、锰氧化物(MnOx)、铱-钌氧化物(Ir-RuOx)、铂-铱(Pt-Ir)、铂-铱氧化物(Pt-IrOx)、铱-钯(Ir-Pd)、铑(Rh)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和铝(Al)中的一种或多种。
特别地，第一催化活性材料20可包括铂(Pt)，第二催化活性材料30可包括铱氧化物(IrOx)。铂(Pt)与铱(Ir)的重量比可为约1:0.5-1。当铱(Ir)的重量比小于约0.5时，铱(Ir)的含量可能过低，因此可能无法获得所需的效果，当铱(Ir)的重量比大于约1时，铱(Ir)的含量可能过高，因此即使不发生电池电压反转，也可能过度激活水电解。
图3为示出根据本发明示例性实施方案的一种制备用于燃料电池的催化剂的方法的流程图。该方法包括制备包括除铂以外的贵金属的溶液(S1)；将负载有铂和铂合金中至少一种的载体放入溶液中(S2)；将除铂以外的贵金属加载在载体上(S3)；将加载在载体上的除铂以外的贵金属氧化(S4)。
在溶液中，除铂以外的贵金属可以以纳米颗粒的形式存在。此处，术语“纳米颗粒”是指直径为纳米(nm)级别的颗粒。
可以通过将贵金属的前体放入溶剂中来制备溶液。下面将详细描述制备溶液的过程。
溶剂不限于特定溶剂并且例如可以为乙二醇(EG)。
通过加入氢氧化钠(NaOH)使溶剂碱化之后，可以将贵金属的前体放入溶剂中。贵金属的前体不限于特定材料，例如可以为贵金属的水合物。此处，可以将乙酸钠(CH3COONa)与前体一起放入溶剂中。
将贵金属的前体放入溶剂中之后，通过在惰性气体(例如氮气)气氛中加热溶液，然后冷却溶液，可以得到纳米颗粒形式的除铂以外的贵金属。溶液的加热条件不限于特定条件，例如，可以在约100℃至200℃的温度下加热溶液约1小时至5小时。
之后，可将负载有第一催化活性材料的载体放入溶液中，然后通过将所得产物的pH调节至约0.5-3而将纳米颗粒形式的贵金属加载在载体10上。因此，该方法可进一步包括将通过将负载有铂组分的载体放入溶液中而获得的产物的pH调节至约0.5-3。
产物pH的调节不限于特定方法，例如，可以将盐酸(HCl)溶液或醋酸(CH3COOH)溶液中的至少一种加入产物中。
负载有第一催化活性材料和贵金属的载体可以通过过滤和干燥生产为粉末形式。
此后，加载在载体上的贵金属可通过在约250℃至350℃的温度下热处理约1小时至5小时而被氧化。
根据本发明示例性实施方案的一种制备用于燃料电池的催化剂的方法可包括制备包括除铂以外的贵金属的溶液；将载体放入溶液中，将除铂以外的贵金属负载在载体上；通过氧化负载在载体上的除铂以外的贵金属来制备第一催化剂；以及将包含铂组分的第二催化剂与第一催化剂混合，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，并且载体可包括含氧官能团。
根据本发明示例性实施方案的方法的特征在于：第一催化剂可以通过仅将除铂以外的贵金属负载在包括含氧官能团的载体上来制备，然后可以将包含铂的第二催化剂与第一催化剂混合。
例如，可以将大量除铂以外的贵金属负载在包括含氧官能团的载体上，然后将包含铂或铂合金的第二催化剂与第一催化剂混合，从而能够更加多样化地调节除铂以外的贵金属与铂或铂合金的比例。
第二催化剂可以为铂或铂合金本身，或者是负载有铂或铂合金的载体。第二催化剂的载体可以为基于碳的催化剂或非基于碳的催化剂，与第一催化剂的载体相同或不同。
在下文中，将通过以下实施例和测试实施例更详细地描述本发明。以下实施例的测试实施例仅用于示例性地描述本发明，而不旨在限制本发明的范围。
实施例
通过加入氢氧化钠(NaOH)将用作溶剂的乙二醇(EG)的pH调节至12。此后，通过将用作贵金属前体的氯化铱(III)水合物(IrCl3·xH2O)放入溶剂中来制备溶液。此处，加入醋酸钠。将溶液在160℃的温度下在氮气气氛中加热约3小时，然后冷却至室温。
将包括负载有铂的碳载体(在下文中，称为Pt/C)的醋酸溶液放入该溶液中。使用上述包括含氧官能团的碳载体。此处，通过加入盐酸(HCl)溶液将溶液的pH调节至约0.5。
将所得产物在室温下搅拌10小时或更长时间，过滤，然后在加热至约50℃温度的烘箱中干燥约2小时，从而制备粉末。
将该粉末在空气气氛下的炉中在300℃的温度下热处理约2小时，从而最终制得负载有铂和铱氧化物的载体。
比较例1
通过与上述实施例相同的方法制备催化剂，不同之处在于，与根据实施例的催化剂相比，使用包括更少量的含氧官能团的碳载体作为负载铂的碳载体，将包括碳载体的盐酸(HCl)溶液(而非醋酸溶液)放入制得的溶液中，并将炉的温度降至约200℃。
比较例2
通过与上述实施例相同的方法制备催化剂，不同之处在于，与根据实施例的催化剂相比，使用包括更少量的含氧官能团的碳载体作为负载铂的碳载体，将包括碳载体的盐酸(HCl)溶液(而非醋酸溶液)放入制得的溶液中。
测试实施例1
对实施例、比较例1和比较例2中使用的载体进行C1s X射线光电子能谱(XPS)分析。其结果示于图4中。如图4所示，在根据本发明实施例的载体中，表示C-O键合能(即O-C＝O和C-O-C基团)的峰面积占载体峰总面积的约38％。另一方面，在根据比较例2的载体中，表示C-O键合能(即C-O-C基团)的峰面积非常小，因此仅占载体峰总面积的约29％。
测试实施例2
对根据实施例、比较例1和比较例2的催化剂进行拉曼分析。其结果示于图5中。如图5所示，根据比较例1和比较例2的催化剂的拉曼光谱的D带和G带的强度相同，但是根据本发明实施例的催化剂的拉曼光谱的D带强度与G带强度之比(D/G)等于或大于1。
此处，D峰是指在1300-1400cm-1的波长范围内观察到的峰，通常最大吸收波长为1360cm-1。此外，G峰是指在1500-1600cm-1的波长范围内观察到的峰，通常最大吸收波长为1580cm-1。在拉曼光谱中，D峰来自非石墨结构，G峰来自石墨结构。因此，随着D峰强度与G峰强度之比(D/G)增大，碳材料的晶体结构趋于无序。
即，在根据本发明的催化剂中，因为含氧官能团键合至载体，所以碳的晶体结构稍微坍塌，因此观察到更高的G峰强度。
测试实施例3
测量了根据上述实施例和比较例2的载体和催化剂的Brunauer-Emmett-Teller比表面积。其结果列于下表1中。
表1
Figure BDA0003203724020000111
如表1所示，根据实施例的载体的比表面积是根据比较例2的载体的比表面积的约3倍。
测试实施例4
燃料电池的制造
为了验证根据实施例和比较例的催化剂关于电池电压反转的耐久性，使用根据实施例和比较例的催化剂制造燃料电池，然后，进行关于电池电压反转的耐久性测试。
(1)使用根据实施例和比较例的催化剂制备催化剂浆料，通过将催化剂浆料喷涂在气体扩散层(GDL:39BC，由德国SGL carbon制造)上形成阳极。全氟磺酸离聚物分散体(5重量％的全氟磺酸分散体，美国DuPont公司制造)与碳的重量比为0.8，各材料的加载量如下。
-比较例1和2
-实施例：0.1mgPt/cm2+0.05mgIr/cm2
(2)使用Pt/C催化剂制备催化剂浆料，通过将催化剂浆料喷涂在气体扩散层(GDL:39BC，由德国SGL carbon制造)上形成阴极。全氟磺酸离聚物分散体(5重量％的全氟磺酸分散体，美国DuPont公司制造)与碳的重量比为0.8，Pt的加载量为0.4mgPt/cm2。
(3)将阳极和阴极分别置于电解质膜(NRE211，美国DuPont公司制造)上，在135℃的温度下施加430psi的压力135秒，从而分别形成膜电极组件(MEA)。
(4)通过依次堆叠由钛(Ti)形成的阳极隔膜、各个MEA和由石墨形成的阴极隔膜来制造各个燃料电池。
此处，施加至用于固定电池的八个螺栓的扭矩为50kgf·cm。
燃料电池的激活
氢和空气分别以200ml/min的速率和600ml/min的速率供应至各个燃料电池的阳极和阴极，在开路电压(OCV)状态下，电流密度每秒增加100mA/cm2，直至电池电压变为0.25V，并且，在电池电压达到0.25V之后，重复此过程直至OCV和各个燃料电池的性能稳定。该过程是在电池温度为65℃和相对湿度为100％的条件下进行的。
关于电池电压反转的耐久性测试方法-根据停止供应氢之后的电池电压反转保持 时间测量电池电压
通过以下方法在电池温度为65℃和相对湿度为100％的条件下测量各个燃料电池的电池电压，以进行关于电池电压反转的耐久性测试。
(1)以0.2A/cm2的电流密度向各个燃料电池施加电力，并且以1.5:2.0的化学计量比向各个燃料电池的阳极和阴极供应氢和空气。
(2)在施加电力5分钟之后，停止向各个燃料电池的阳极供应氢，然后供应与氢流量相同的氩(Ar)。
(3)测量电池电压变为-2.5V所需的时间和电压。
(4)将电池电压从0V转换为-2.5V所需的时间定义为电池电压反转保持时间。
包括根据实施例、比较例1和比较例2的催化剂的燃料电池的电池电压反转保持时间示于图6中。如图6所示，包括根据实施例的催化剂的燃料电池的电池电压反转保持时间是包括根据比较例1的催化剂的燃料电池的约3.5倍，并且是包括根据比较例2的催化剂的燃料电池的约1.6倍。
因此，根据本发明示例性实施方案的催化剂的使用可以更有效地抑制由燃料电池发生的电池电压反转引起的问题。
根据本发明的各种示例性实施方案，当燃料电池发生电池电压反转时，催化剂可以发生水电解而不是碳腐蚀，从而可以从根本上解决由电池电压反转引起的问题。
此外，在根据本发明各种示例性实施方案的催化剂中，高含量的催化活性材料可以均匀地负载在载体上。
此外，根据本发明的各种示例性实施方案的催化剂可以增加载体和催化活性材料之间的结合力，因此具有优异的耐久性从而即使在恶劣的条件下(例如电池电压反转)也能保持活性。
已经参考本发明的各种示例性实施方案详细描述了本发明。然而，应理解，本领域技术人员可以在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方案做出改变，本发明的范围限定在所附权利要求其等同方案中。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的催化剂，包括：
载体；
第一催化活性材料，所述第一催化活性材料负载在载体上并包含铂组分，所述铂组分包含选自铂和铂合金中的一种或多种；和
第二催化活性材料，所述第二催化活性材料负载在载体上并包含选自除铂以外的贵金属及其氧化物中的一种或多种，
其中所述载体包括含氧官能团。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体包括：
碳材料，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种；和
官能团，所述官能团键合至碳材料的碳原子。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述官能团包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体构造成使得在C1s X射线光电子能谱中表示C-O键合能的载体峰面积的总和等于或大于载体峰总面积的35％。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比等于或大于1.1。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述第二催化活性材料连接至官能团中包含的氧。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，铂合金为铂的合金且包括一种或多种选自镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)和锡(Sn)的过渡金属。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中，所述第二催化活性材料包括选自铱(Ir)、钌(Ru)、铱氧化物(IrOx)、钌氧化物(RuOx)、钛氧化物(TiOx)、锰氧化物(MnOx)、铱-钌氧化物(Ir-RuOx)、铂-铱(Pt-Ir)、铂-铱氧化物(Pt-IrOx)、铱-钯(Ir-Pd)、铑(Rh)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)和铝(Al)中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的催化剂，其中：
所述第一催化活性材料包括铂；
所述第二催化活性材料包括铱氧化物(IrOx)；并且
铂与铱的重量比为1:0.5-1。
10.一种制备用于燃料电池的催化剂的方法，所述方法包括：
制备包含除铂以外的贵金属的溶液；
将负载有铂组分的载体放入溶液中，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种；
将除铂以外的贵金属加载在载体上；然后
将加载在载体上的除铂以外的贵金属氧化，
其中所述载体包括含氧官能团。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在溶液中，除铂以外的贵金属以纳米颗粒的形式存在。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述载体包括：
碳材料，所述碳材料包括选自炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨、石墨烯和石墨烯氧化物中的一种或多种；和
官能团，所述官能团键合至碳材料的碳原子。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述官能团包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比等于或大于1.1。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法进一步包括将通过将负载有铂组分的载体放入溶液中获得的产物的pH调节至0.5-3，使得除铂以外的贵金属加载在载体上。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，加载在载体上的除铂以外的贵金属通过在250℃至350℃的温度下热处理1小时至5小时而被氧化。
17.一种制备用于燃料电池的催化剂的方法，所述方法包括：
制备包含除铂以外的贵金属的溶液；
将载体放入溶液中；
将除铂以外的贵金属加载在载体上；
通过氧化加载在载体上的除铂以外的贵金属来制备第一催化剂；以及
将包含铂组分的第二催化剂与第一催化剂混合，所述铂组分包括选自铂和铂合金中的一种或多种，
其中所述载体包括含氧官能团。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述官能团包括选自羧基、环氧基、酮基、醛基、醚基和羟基中的一种或多种。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述载体构造成使得载体的拉曼光谱的D峰强度与G峰强度之比等于或大于1.1。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，加载在载体上的除铂以外的贵金属通过在250℃至350℃的温度下热处理1小时至5小时而被氧化。
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