CN1983688A - 用于燃料电池的催化剂、其制备方法以及包含它的燃料电池的膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂，其制备方法，及包括该催化剂的燃料电池的膜电极组件。所述催化剂包括铂(Pt)纳米线和担载Pt纳米线的碳基材料。

Description

用于燃料电池的催化剂、其制备方法以及 包含它的燃料电池的膜电极组件
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂，其制备方法，以及包含该催化剂的燃料电池的膜电极组件。更具体地，本发明涉及具有优异的导电性和催化活性的用于燃料电池的催化剂，其制备方法，以及包含该催化剂的燃料电池的膜电极组件。
背景技术
燃料电池是通过氧化剂和燃料如氢或烃-基材料如甲醇、乙醇、天然气等的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统。这种燃料电池是可以替代化石燃料的清洁能源并包括由产生各种功率输出范围的单元电池构成的电池组。由于它具有比小型锂电池高四至十倍的能量密度，使其作为小型便携式能源而突出。
具有代表性的典型的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。
聚合物电解质膜燃料电池具有高能量密度和高功率的优点，但是它还存在需要小心控制氢气和需要辅助装置如用于为了产生作为燃料气体的氢气而重整甲烷或甲醇、天然气等的燃料重整器的问题。
直接氧化燃料电池具有比其它类型的燃料电池低的能量密度，但是具有容易控制液体型燃料、低工作温度、不需要额外的燃料重整器来重整燃料产生氢气并将氢气供应给电池组的优点。因此，它被公认为用于小型和普通电气装置的便携式电源的合适系统。
在燃料电池系统中，发电的电池组包括彼此邻近堆叠的几个至几十个单元电池，每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。膜电极组件由被聚合物电解质膜分开的阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)构成。
燃料供应给阳极并吸附在阳极的催化剂上，燃料被氧化产生质子和电子。电子经过电路传递到阴极，质子经过聚合物电解质膜传递到阴极。另外，氧化剂供应给阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电和水。
背景技术部分公开的上述信息仅是为了帮助理解本发明的背景，因此应当理解上述信息可以包含未构成在本国中对于本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的一个实施方案提供了一种具有优良导电性和催化活性的用于燃料电池的催化剂。
本发明的另一实施方案提供一种制备该催化剂的方法。
本发明的又一实施方案提供一种包括该催化剂的膜电极组件。
根据本发明的第一实施方案，提供用于燃料电池的催化剂，其包括铂(Pt)纳米线和担载该Pt纳米线的碳基材料。
根据本发明的另一实施方案，提供用于燃料电池的催化剂，其包括具有纳米线形状的催化材料和其上担载该催化材料的碳基材料。
根据本发明的另一实施方案，提供制备该用于燃料电池的阴极催化剂的方法，该方法包括通过混合具有大于或等于1的纵横比的碳基材料和担载辅助剂(supporting aid)来制备载体，将催化剂金属前体溶液添加到载体上来制备担载在载体上的催化剂前体，加热担载在载体上的催化剂前体，以及用酸处理。
根据本发明的另一实施方案，提供膜电极组件，其包括彼此相对的阴极和阳极，以及介于其间的电解质膜。阳极和阴极的至少之一包含上述催化剂。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，随着本发明更完全的评价及其许多伴随的优点变得更好理解，其将更加明显，附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件，其中：
图1示意地示出根据本发明一个实施方案的燃料电池系统的结构；
图2至图4是使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)拍摄的根据实施例1的催化剂的照片；
图5是用快速傅立叶转换(FFT)然后利用快速傅立叶逆变换(IFFT)拍摄的根据实施例1的催化剂的照片；及
图6和图7示出根据实施例2以及对比例1和2的单电池的电池性能。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施方案。
一般，有许多方式在载体上担载铂。有许多容易的制备低担载催化剂的方法，初始湿法工艺就属于这类方法。根据这个方法，通过首先计算载体的孔隙，以与孔隙相同的量制备催化剂金属前体溶液，逐滴将催化剂金属前体溶液添加到载体上，以及使其干燥而用催化剂金属前体溶液填充孔隙，将催化剂金属担载在载体上。这种方法简单，但是因为如果使用低浓度催化剂金属前体溶液，则载体的孔隙与催化剂金属前体溶液的量相比太小，所以催化剂金属前体溶液中催化剂金属的量应当增加来制备高担载催化剂。然而，由于溶解度问题，难于制备高浓度催化剂金属前体溶液。因此，通过这种方法不可能制备高担载催化剂。即使高担载催化剂可以用这种方法部分制备，其中的催化剂金属也凝聚成大尺寸颗粒，恶化催化剂活性。
本发明改善了这种初始湿法工艺来制备包括具有纳米线形状的铂催化剂，因此，增加了载体上担载的催化剂的量并改善了催化剂的活性和导电性。
根据本发明的一个实施方案，用于燃料电池的催化剂包括铂(Pt)纳米线和担载Pt纳米线的碳基材料。
Pt纳米线的平均直径为1.5～10nm，优选为2～4nm，长度为3nm～10μm，优选为10nm～1μm。当Pt纳米线的平均直径和长度为1.5～10nm时，其可以不仅具有相对于它的质量的高利用效率，而且具有高活性，以及可以保持与离聚物的良好接触。然而，当尺寸不在上述范围时，其会具有相对于它的质量的低利用效率和低活性，并且不容易保持与离聚物良好的接触。
根据本发明的实施方案，Pt纳米线可以是平均长度/平均直径的比例大于3，优选为5～10000，更优选为10～7000的线型纤维。
Pt纳米线进入碳基材料的孔隙，因此起到促进催化剂反应的作用，增加活性表面积，及避免粘结剂的阻挡的作用。
按催化剂的总重量计，Pt纳米线可以以5～90wt％，优选为10～80wt％的比例担载在碳基材料上。当包含的Pt纳米线少于5wt％时，催化剂对碳基材料的利用效率降低，而当包含的Pt纳米线多于90wt％时，铂的利用效率降低。当Pt纳米线以少量担载时，其适用于聚合物电解质膜燃料电池，而当以多于50wt％的量担载时，其适用于直接甲醇燃料电池。
根据本发明的一个实施方案，催化剂可以包括Pt纳米颗粒和Pt纳米线。
Pt纳米颗粒存在于担载在碳基材料上的Pt纳米线之间因此其起到增加反应面积的作用。
Pt纳米颗粒具有2～8nm，优选为2～6nm的平均颗粒尺寸。当Pt纳米颗粒的尺寸小于2nm时它可能损失催化剂特性，而当尺寸大于8nm时它可能具有低的催化剂利用效率。
Pt纳米颗粒可以担载在上述的碳基材料上。
根据本发明的一个实施方案，催化剂可以包括重量比为10∶90～90∶10的Pt纳米线和Pt纳米颗粒。当Pt纳米线和Pt纳米颗粒具有小于10∶90的重量比时，Pt纳米线不具有充分的效果。另一方面，当Pt纳米线和Pt纳米颗粒具有大于90∶10的重量比时，仅Pt纳米线具有效果。更优选地，Pt纳米线和Pt纳米颗粒可以优选以20∶80～60∶40的重量比包含在其中。当它们以该范围包含在其中时，通过利用Pt纳米线的高导电率和Pt颗粒特别的表面活性，Pt纳米颗粒位于碳基材料和Pt纳米线中的空位上，因此，增加了Pt和碳基材料的利用效率，确保了燃料电池的优良性能。
Pt纳米线担载在碳基材料上。
碳基材料在催化剂中起到载体的作用。碳基材料优选具有大于或等于1的纵横比。其可以更优选具有1.5～100的纵横比。当碳基材料具有小于1的纵横比时，催化剂会不稳定地担载在碳基材料上且会容易与碳基材料分离，因此，担载在碳基材料上的催化剂的量会减少。当把碳基材料的长度看作宽度以及把碳基材料的直径看作高度时，本发明的纵横比是指宽度除以高度。
具体地，碳基材料具有20nm～80nm的平均直径和1～5μm的长度。
碳基材料可以是气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、碳纳米角(carbon nanohorn)、碳纳米环、碳纳米线或碳纳米棒(carbon nanorod)。优选地，碳纳米管是适合的。碳基材料具有多壁结构，其中石墨化晶体结构是线性排列的。
根据本发明的一个实施方案，当用碳基材料制备催化剂时，用于燃料电池的催化剂还可以包括选择性地用于增加催化剂担载量的担载辅助剂。
担载辅助剂起到补充碳基材料的不足的表面积的作用，因此增加了铂催化剂的担载量和它的分散率。它可以包括至少一种包含选自硅、锆、铝和钛中的元素的化合物。它可以优选包括选自氧化硅、煅制氧化硅、沸石、氧化锆、氧化铝和氧化钛中的至少一种，优选为煅制氧化硅。
基于催化剂的总重量，担载辅助剂的含量可以为小于或等于5wt％，优选为1～3wt％。当担载辅助剂的含量小于或等于5wt％时，可以帮助增湿剂和甲醇的氧化。然而，当含量大于5wt％时，会恶化催化层的导电性。
根据本发明的一个实施方案，用于燃料电池的催化剂包括具有纳米线形状的催化材料，及担载催化材料的碳基材料。
在下文，将描述根据本发明实施方案的制备用于燃料电池的催化剂的方法。
根据本发明实施方案的制备用于燃料电池的催化剂的示例性方法包括通过混合碳基材料和催化剂金属前体溶液制备催化剂前体，然后热处理该催化剂前体。
更具体地，通过混合具有大于或等于1的纵横比的碳基材料和催化剂金属前体溶液来制备本发明的催化剂前体。
碳基材料可以与上述相同。它可以未经预处理或在预处理如酸处理接着洗涤并热处理之后使用。
预处理期间的酸处理工艺通过将碳基材料浸渍在酸溶液如硝酸、硫酸、磷酸和氢氟酸中进行。由于酸处理增加了碳基材料中的官能团(-OH、-COOH等)，所以催化剂能更稳定地担载并且它的分散率增加。另外，在预处理工艺期间，疏水碳基材料可以变为亲水碳基材料。
接下来，可以洗涤除去前处理期间使用的酸，然后额外热处理。于此，碳基材料在一次或二次洗涤之后，在400～500℃和空气气氛下热处理5～24小时。预处理的热处理具有完全除去即使洗涤工艺之后仍然保留的少量酸的效果。
在碳基材料与催化剂金属前体溶液混合之前，担载辅助剂可以通过与碳基材料混合使用来增加催化剂的担载量。
担载辅助剂与上述相同，可以在热处理制备催化剂之后的额外酸处理期间被除去。
包含的担载辅助剂是Pt重量的两至六倍，优选为四至五倍。担载辅助剂的含量小于上述范围时，它的量太小不能起到作为担载辅助剂的作用，而且，催化剂金属能以大颗粒产生。当含量高于上述范围时，它的量太大不节约。
担载辅助剂可以在有机溶剂、水或其混合溶剂中与碳基材料混合，溶剂帮助它们均匀地混合在一起。有机溶剂可以包括正丙醇、异丙醇、甲醇、乙醇或乙二醇。
当碳基材料和担载辅助剂通过使用溶剂混合时，所得到的混合物可以进一步干燥，随后研磨，得到粉末状载体。然而，当混合工艺不包括溶剂时，所得到的混合物仅需要研磨，而不需要干燥。
然后，通过混合制备的碳基材料或碳基材料和担载辅助剂制备的混合物与催化剂金属前体溶液来制备催化剂前体。
催化剂金属前体的实例包括选自H2PtCl6、PtCl2、PtBr2、Pt(NO2)2(NH3)2、K2PtCl6、K2PtCl4、K2[Pt(CN4)]3H2O、K2Pt(NO2)4、Na2PtCl6、Na2[Pt(OH)6]、乙酰丙酮铂、四氯铂酸铵及其组合中的至少一种。根据一个实施方案，可以优选使用H2PtCl6。
催化剂金属前体溶液可以包含水，醇如甲醇、乙醇、异丙醇等，或其混合物作为溶剂。
通过计算多少催化剂担载在碳基材料上来确定催化剂金属前体溶液的量。
考虑担载多少催化剂，碳基材料与催化剂金属前体以60∶40～90∶10的重量比，优选以70∶30～80∶20的重量比混合。60∶40～90∶10的混合比使控制Pt催化剂的尺寸和形状成为可能。然而，当混合比不在60∶40～90∶10之内时，Pt催化剂颗粒可能太大或碳基材料不能有效利用。
可以以逐滴的形式将催化剂金属前体溶液添加到碳基材料中，使得它可以均匀地担载在碳基材料上，得到催化剂前体。
在热处理之前可以额外干燥得到的催化剂前体。额外的干燥工艺可以帮助催化剂前体均匀地分散。干燥工艺可以包括超声波方法等。干燥工艺之后，催化剂前体可以研磨成细粉。
然后，热处理催化剂前体，制备用于燃料电池的催化剂。
热处理在不高于250℃，优选在150～200℃下进行。当热处理在高于250℃下进行，催化剂会具有太大的Pt颗粒。
热处理可以进行30分钟～10小时，优选进行1～5小时。当进行热处理的时间小于30分钟时，Pt的结晶性不好，而当进行热处理的时间大于10小时的时候，Pt颗粒往往会太大。
另外，热处理可以在氢气或真空气氛下，优选在氢气气氛下进行。
热处理起到还原铂催化剂前体而制备用于燃料电池的催化剂的作用。
当使用担载辅助剂制备用于燃料电池的催化剂时，担载辅助剂还可以从得自热处理的还原产物中洗提出来。
因此，担载辅助剂在洗提工艺期间可以完全或者部分除去。
洗提工艺可以通过使用酸或碱进行，并通过调节其浓度或混合时间来控制。酸可以包括氢氟酸，碱可以包括NaOH、KOH、NH4OH、(NH4)2CO3、Na2CO3等。当使用氢氟酸时，40％HF溶液添加到它当量的三倍，然后搅拌24小时来洗提担载辅助剂。另外，当使用NaOH时，将大于1M的NaOH溶液添加到还原的铂催化剂前体中，搅拌24小时，然后过滤除去担载辅助剂。
洗提工艺可以将剩余在最终催化剂中的担载辅助剂的量减少到不大于5wt％。当担载辅助剂剩余大于5wt％时，剩余的担载辅助剂会恶化催化剂层的导电性，因此恶化燃料电池的性能。
根据本发明的上述方法，用于燃料电池的催化剂通过在碳基材料上担载纳米线形Pt来制备，这样不仅增加担载Pt的担载量而且增加了催化剂的活性表面积，因此催化剂具有优异的活性。另外，Pt纳米线连续地存在于催化剂中，因此增加了催化剂的导电性。
所述催化剂在使用烃燃料的直接氧化燃料电池中比在其他类型的燃料电池中可以具有更优良的活性。它在使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池中具有更加优良的活性；也就是说，本发明的催化剂可以最好地工作于直接甲醇燃料电池中。
另外，用于燃料电池的催化剂可以用于阴极和阳极。
燃料电池阴极和阳极的区分不依赖于它们的材料，但是燃料电池的电极被区分成用于氧化燃料如氢气、甲醇、乙醇、氢羧酸等的阳极，及用于还原氧(空气)的阴极。换句话说，将燃料如氢或烃-基材料供给阳极并将氧供给阴极来发生电化学反应，从而发电。阳极氧化燃料且阴极还原氧，因此两电极之间产生电压差。
下文，将描述根据本发明实施方案采用所述催化剂的示例性膜电极组件和包括该膜电极组件的示例性燃料电池。
燃料电池的膜电极组件包括彼此相对的阳极和阴极，以及介于其间的聚合物电解质膜。阳极和阴极的至少一个包括催化剂。
阳极和/或阴极包含的催化剂与上述相同。
阴极和阳极的催化剂布置在电极基底上。电极基底分别支撑阳极和阴极并提供传递燃料和氧化剂到催化剂层的通道。至于电极基底，使用导电基底。例如，导电基底可以是碳纸、碳布、碳毡或金属线织物(包含金属线织物纤维或金属化聚合物纤维的多孔膜)，但是不限于此。
电极基底可以用氟-基树脂处理来防水，从而避免由于燃料电池工作期间产生的水导致的扩散效率降低。氟-基树脂可以包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚氯三氟乙烯、氟乙烯聚合物或它们的共聚物，但不限于此。
还可以将微孔层(MPL)加在上述的电极基底和催化剂层之间来增加反应物扩散效果。微孔层一般包含具有特定颗粒直径的导电粉末。导电材料可以包括，但不限于碳粉、炭黑、乙炔黑、活性炭、碳纤维、富勒烯、纳米碳或它们的组合。纳米碳可以包括例如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米角、碳纳米环或它们的组合的材料。通过将包含导电粉末、粘结剂树脂和溶剂的组合物涂布到导电基底上来形成微孔层。粘结剂树脂的非限定性实例包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、乙酸纤维素等。溶剂可以包括，但不限于醇如乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇等，水，二甲基乙酰胺，二甲亚砜，N-甲基吡咯烷酮，及四氢呋喃。根据组合物的粘度，涂布方法可以包括，但不限于网板印刷、喷涂、刮刀法、凹版涂布、浸涂、丝网印刷和涂漆。
聚合物电解质起到离子交换、将阳极催化剂层中产生的质子传递到阴极催化剂层的作用，因此可以包括任何常用作燃料电池的聚合物电解质膜的质子传导聚合物树脂。质子传导聚合物树脂可以是侧链上具有选自磺酸基、羧酸基、磷酸基、膦酸基及它们的衍生物中的阳离子交换基团的聚合物树脂。
聚合物树脂的非限定性实例包括选自氟-基聚合物、苯并咪唑-基聚合物、聚酰亚胺-基聚合物、聚醚酰亚胺-基聚合物、聚苯硫醚-基聚合物、聚砜-基聚合物、聚醚砜-基聚合物、聚醚酮-基聚合物、聚醚醚酮-基聚合物和聚苯基喹啉-基聚合物中的至少一种质子传导聚合物。在一个实施方案中，质子传导聚合物为选自聚(全氟磺酸)、聚(全氟羧酸)、具有磺酸基的四氟乙烯和氟乙烯基醚的共聚物、脱氟聚醚酮硫化物、芳基酮、聚(2，2′-(间-亚苯基)-5，5′双苯并咪唑)或聚(2，5-苯并咪唑)中的至少一种。
一般地，聚合物电解质膜的厚度为10～200μm。
组装聚合物电极质膜的方法、热压方法和它们的工艺条件对本领域来说是公知的。因此，省略详细的描述。
根据本发明的实施方案，燃料电池系统包括上述的膜电极组件。
本发明的燃料电池系统包括至少一个发电元件、燃料供应器和氧化剂供应器。发电元件包括膜电极组件和布置在膜电极组件每个面上的隔板。通过燃料的氧化和氧化剂的还原来发电。
燃料供应器起到将含氢的燃料供给发电元件的作用，氧化剂供应器起到将氧化剂如氧或空气供给发电元件的作用。燃料包括液态或气态氢，或者烃-基燃料如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气。
图1示出了燃料电池系统的示意结构，该燃料电池系统将参照本附图详细描述如下。图1示出燃料电池系统100，其中通过泵120和130将燃料和氧化剂供给发电元件150，但本发明并不限于这种结构。本发明的燃料电池系统可以选择性地包括燃料和氧化剂通过扩散方式供应的结构。
燃料电池系统100包括电池组105，该电池组包括至少一个通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的发电元件150；给发电元件150供应燃料的燃料供应器101；及给发电元件150供应氧化剂的氧化剂供应器103。
另外，燃料供应器101装备有储存燃料的罐110，及与其相连的泵120。燃料泵120以预定的抽汲功率供应储存在罐110中的燃料。
将氧化剂供给电池组105的发电元件150的氧化剂供应器103，装备有至少一个以预定的抽汲功率供应氧化剂的泵171。
发电元件150包括氧化燃料如氢或烃-基材料并还原氧化剂的膜电极组件151，及分别位于膜电极组件151的相对面并提供燃料如氢或烃-基材料和氧化剂的隔板152和153。
下面的实施例更加详细地说明本发明。然而，应当理解本发明并不受这些实施例限定。
实施例1
将5g碳纳米管放入60％的硝酸溶液中。在室温下搅拌混合物5小时，之后用蒸馏水洗涤。然后，过滤并在400℃的马弗炉中热处理5小时从而除去保留在碳纳米管中的硝酸。
将5重量份的预处理碳纳米管与95重量份的煅制氧化硅(表面积：380m2/g，Aldrich Co.)混合。然后，利用球磨，将所得到的混合物与1∶1∶1的体积比混合的正丙醇、异丙醇和水的溶剂混合。干燥混合物，之后，用磨床研磨来制备粉末状载体。
接下来，将20重量份的H2PtCl6溶液以逐滴的方式加入到80重量份的载体中，从而制备载体上担载的催化剂前体。用超声波处理载体上担载的催化剂前体，然后干燥。研磨干燥的产物，之后在氢气气氛和200℃下热处理5小时。然后，用HF处理除去用作担载辅助剂的煅制氧化硅，制备担载在碳纳米管上的用于燃料电池的Pt纳米线催化剂。
制备的催化剂包括基于总催化剂重量的80wt％的Pt纳米线和Pt纳米颗粒。包含在催化剂中的Pt纳米线比Pt纳米颗粒多30～40wt％。
用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)观察根据实施例1的用于燃料电池的催化剂。结果由图2～5提供。
图2和3是根据实施例1制备的铂纳米线催化剂的照片，各比例尺分别是100nm和20nm。
如图2和3所示，Pt纳米线和Pt纳米颗粒存在于碳纳米管(CNT)的表面上。
图4示出了根据实施例1制备的铂纳米线放大500000倍的照片，它的比例尺是5nm。图5是通过为了分析实施例1的催化剂中的Pt纳米线的结构而进行FFT(快速傅立叶变换)和之后的IFFT(快速傅立叶逆变换)确定的Pt纳米线的照片。
如图4和5所示，Pt纳米线具有2～3nm的尺寸并且成形为一条线，而不是链，其中Pt纳米颗粒彼此连接。另外，Pt纳米线担载在CNT(碳基材料)的表面上，Pt晶格表明Pt纳米线为单晶。
实施例2
将10重量份的根据实施例1制备的催化剂放入以10∶80的重量比混合的水和异丙醇的溶剂中，将Nafion溶液(Nafion 1100 EW，Dupont Co.)添加到其中。然后用超声波均匀地施加所得到的产物并搅拌从而制备用于形成催化剂层的组合物。
将形成催化剂层的组合物喷涂到用TEFLON(四氟乙烯)处理的碳纸基底上(阴极/阳极＝SGL 31BC/10DA；SGL碳系列产品)，从而制备阴极。通过使用PtRu黑催化剂(HiSPEC 6000，Johnson Matthey Co.)按照相同的方法制备阳极。涂布阳极使其具有6mg/cm2的催化剂层，并涂布阴极使其具有4mg/cm2的催化剂层，从而制备电极。
接下来，在市售的聚合物电解质膜(催化剂涂布膜型燃料电池MEA，Dupont Co.；Nafion 115膜)的两面堆叠阳极和阴极，制备膜电极组件。将制备的膜电极组件插入到垫圈之间，之后，插入到具有预定气流通道和冷却通道的两个隔板之间，然后在铜端板之间压缩，从而制备单元电池。
对比例1
按照与实施例2相同的方法制备单元电池，所不同的是，使用平均粒度为4nm的Pt颗粒作为催化剂。
对比例2
按照与实施例2相同的方法制备单元电池，所不同的是，使用平均粒度为8nm的Pt颗粒作为催化剂。
根据实施例2以及对比例1和2的单元电池在1M甲醇/空气下运行并评价它们的性能。结果提供在图6和7中。
如图6和7所示，在相同的电流密度下，包含本发明的催化剂的实施例2的燃料电池产生比对比例1和2的燃料电池高的电压，也就是说，与对比例1和2的燃料电池相比具有增加大于30％的功率输出密度。
因此，本发明提供一种通过增加在载体上的担载量和其活性表面积而具有优良催化活性和导电性，因此提高燃料电池性能的用于燃料电池的催化剂。
尽管已经结合实际的示例性实施方案描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施方案，而是相反，意在覆盖包含在所附的权利要求书的精神和范围内的各种变形和等价排列。

Claims (29)

1.一种用于燃料电池的催化剂，包括：
铂(Pt)纳米线；及
其上担载Pt纳米线的碳基材料。
2.根据权利要求1的催化剂，其中所述Pt纳米线具有1.5～10nm的平均直径。
3.根据权利要求1的催化剂，其中所述Pt纳米线具有3nm～10μm的长度。
4.根据权利要求1的催化剂，其中所述Pt纳米线以基于催化剂的总重量的5～90wt％的量担载在碳基材料上。
5.根据权利要求1的催化剂，还包括位于所述Pt纳米线中并担载在碳基材料上的Pt纳米颗粒。
6.根据权利要求5的催化剂，其中所述Pt纳米颗粒具有2～8nm的平均粒度。
7.根据权利要求5的催化剂，其中包括重量比为10∶90～90∶10的Pt纳米线和Pt纳米颗粒。
8.根据权利要求1的催化剂，其中所述碳基材料具有大于或等于1的纵横比。
9.根据权利要求1的催化剂，其中所述碳基材料是选自气相生长碳纤维、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、碳纳米棒及其组合中的至少一种。
10.根据权利要求1的催化剂，其中所述碳基材料是碳纳米管。
11.根据权利要求1的催化剂，还包括担载辅助剂。
12.根据权利要求11的催化剂，其中所述担载辅助剂是包括选自硅、锆、铝、钛及其组合中的元素的化合物。
13.根据权利要求11的催化剂，其中包含基于该催化剂的总重量的小于或等于5wt％的担载辅助剂。
14.一种膜电极组件，其包括具有权利要求1的催化剂的催化剂层。
15.一种用于燃料电池的催化剂，包括：
具有纳米线形状的催化材料；及
其上担载该催化材料的碳基材料。
16.一种制备用于燃料电池的催化剂的方法，包括：
制备碳基材料；
将包含催化剂金属前体的催化剂金属前体溶液添加到碳基材料中，制备催化剂前体；及
热处理该催化剂前体，得到担载在碳基材料上的催化剂，该碳基材料上担载有Pt纳米线。
17.根据权利要求16的方法，其中所述碳基材料具有大于或等于1的纵横比。
18.根据权利要求16的方法，其中所述碳基材料是选自气相生长碳纤维、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米环、碳纳米线、碳纳米棒及其组合中的至少一种。
19.根据权利要求16的方法，其中所述碳基材料的制备包括通过使用酸来酸处理碳基材料、洗涤碳基材料并热处理碳基材料来除去酸。
20.根据权利要求16的方法，其中所述催化剂金属前体选自H2PtCl6、PtCl2、PtBr2、(NH3)2Pt(NO2)2、K2PtCl6、K2PtCl4、K2[Pt(CN)4]3H2O、K2Pt(NO2)4、Na2PtCl6、Na2[Pt(OH)6]、乙酰丙酮铂、四氯铂酸铵及其组合。
21.根据权利要求16的方法，其中所述碳基材料和催化剂金属前体以60∶40～90∶10的重量比混合。
22.根据权利要求16的方法，还包括在添加所述催化剂金属前体溶液之前，混合碳基材料与担载辅助剂。
23.根据权利要求22的方法，其中所述担载辅助剂是包括选自硅、锆、铝、钛及其组合中的元素的化合物。
24.根据权利要求22的方法，其中所述担载辅助剂以铂重量的两至六倍的量混合。
25.根据权利要求22的方法，其中所述担载辅助剂与碳基材料在有机溶剂、水或它们的混合溶剂中混合，混合之后，干燥混合物并粉化。
26.根据权利要求22的方法，还包括在所述热处理之后洗提所述担载辅助剂，以将催化剂中保留的担载辅助剂的量减少到小于或等于5wt％。
27.根据权利要求16的方法，其中所述热处理是在小于或等于250℃的温度下进行的。
28.根据权利要求16的方法制备的催化剂。
29.一种燃料电池的膜电极组件，包括：
彼此相对的阴极和阳极，阳极和阴极的至少一个包含催化剂，该催化剂包括：
铂(Pt)纳米线；及
担载Pt纳米线的碳基材料；以及
介于阴极和阳极之间的电解质。
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