专利名称：载体催化剂及制法、含其的电极和含该电极的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的载体催化剂及其制备方法、包括该载体催化剂的燃料电池用电极和包括该电极的燃料电池，更具体地说，涉及用于燃料电池的载体催化剂，该载体催化剂使用基于石墨的催化剂载体以增加燃料电池的耐久性，其中该用于燃料电池的载体催化剂通过使浸渍于基于石墨的催化剂载体中的金属催化剂损失最小化并调节浸渍的金属催化剂量而具有优越的能量密度和燃料效率，本发明还涉及该载体催化剂的制备方法、包括该载体催化剂的燃料电池用电极、和包括该电极的燃料电池。
背景技术：
根据用于燃料电池的电解质种类，燃料电池可以分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、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)等。燃料电池的工作温度和燃料电池的组成物质根据使用的电解质类型而变化。
根据供应燃料到阳极的方法，燃料电池可以分为外部重整装置型，其中燃料通过外部重整装置转化为富氢气体后供应给阳极；和内部重整装置型或直接燃料供应型，其中气态或液态燃料直接供应给阳极。
直接燃料供应型燃料电池的代表性实例是直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC使用含水甲醇溶液作为燃料，和具有离子传导性的质子交换聚合物膜作为电解质。DMFC小并且轻，但是可以获得高输出密度。另外，可以使用PEMFC制造具有简单结构的能量产生系统。
PEMFC的基本结构包括阳极(燃料电极)、阴极(氧化剂电极)以及布置在阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。促进燃料氧化的催化剂层形成于PEMFC的阳极上，和促进氧化剂还原的催化剂层形成于PEMFC的阴极上。
在PEMFC的阳极中，作为燃料氧化的结果产生质子离子和电子。质子离子通过聚合物电解质膜迁移到阴极，电子通过导线(或集电极)迁移至外电路(荷载)。在PEMFC的阴极中，通过聚合物电解质膜传输的质子离子和通过导线(或集电极)从外电路传输的电子与氧结合，因此产生水。此处，电子经由阳极、外电路和阴极迁移产生电流。如描述的，阴极和/或阳极含有催化剂，该催化剂可以加速燃料的电化学氧化和/或氧的电化学还原。
通常，PEMFC使用分散在无定形碳载体中的铂颗粒作为用于阴极和阳极的催化剂，而DMFC使用PtRu作为阳极催化剂并且使用铂颗粒本身或分散在碳载体中的铂颗粒作为阴极催化剂。
美国专利No.6,306,543和美国专利No.6,551,960公开了制备载体催化剂的方法，其中使用多元醇方法将铂颗粒分散在碳载体中。图3是说明根据常规方法制备载体催化剂的方法示意流程图。参见图3，制备载体催化剂的方法包括混合铂前体溶液和碳载体的分散溶液；滴定混合物的pH；加热和冷却混合物；并过滤、清洗和干燥所得物，在该载体催化剂中铂浸渍在基于碳的催化剂载体中。
常规的载体催化剂使用基于石墨的催化剂载体，此类载体容易经受住热，防止作为金属催化剂的铂的损失，用于增加燃料电池的耐久性。然而，此类载体催化剂不能含有特定量的金属催化剂，例如约40重量％或更多。
发明内容
本发明提供用于燃料电池的载体催化剂，该载体催化剂使用基于石墨的催化剂载体以增加燃料电池的耐久性，其中该用于燃料电池的载体催化剂通过使浸渍于基于石墨的催化剂载体中的金属催化剂损失最小化和调节浸渍的金属催化剂量而具有优越的能量密度和燃料效率，本发明还提供该载体催化剂的制备方法、包括该载体催化剂的燃料电池用电极、和包括该电极的燃料电池。
根据本发明的一个方面，提供用于燃料电池的载体催化剂，包括基于石墨的催化剂载体；吸附于基于石墨的催化剂载体表面上的第一催化剂金属颗粒，其中基于该载体催化剂，第一催化剂金属颗粒的量为至少30重量％；和与第一催化剂金属颗粒表面结合的第二催化剂金属颗粒。
根据本发明的另一个方面，提供制备用于燃料电池的载体催化剂方法，包括通过混合第一催化剂金属前体和多元醇制备第一催化剂金属前体溶液；通过混合基于石墨的催化剂载体、多元醇和水制备基于石墨的催化剂载体溶液；将第一催化剂金属前体溶液和基于石墨的催化剂载体溶液混合得到第一混合物；滴定第一混合物的pH，然后加热和冷却第一混合物；通过混合第二催化剂金属前体和多元醇制备第二催化剂金属前体溶液；将第二催化剂金属前体溶液加入到第一混合物中得到第二混合物，滴定该第二混合物的pH，然后加热和冷却该所得的第二混合物；并过滤、清洗和干燥该所得的第二混合物。
根据本发明的另一个方面，提供包括如上所述用于燃料电池的载体催化剂的燃料电池用电极。
根据本发明的另一个方面，提供包括如上所述燃料电池用电极的燃料电池。
本发明的以上和其它特征及优点将通过参照附图详细描述示范性实施方案更加明显，其中图1是根据本发明实施方案的载体催化剂的第一催化剂金属颗粒和第二催化剂金属颗粒结合的示意图；图2是说明在图1所示的载体催化剂中浸渍的第一催化剂金属颗粒的量相对于第二催化剂金属颗粒的量的曲线图；图3是说明制备载体催化剂的常规方法的示意流程图；图4是说明根据本发明实施方案制备载体催化剂的方法的示意流程图；图5是根据本发明实施方案的燃料电池的图解；图6是说明对制备实施例1制备的载体催化剂和两种常规载体催化剂的X射线衍射分析数据的曲线图；和图7是说明对制备实施例1制备的载体催化剂和常规载体催化剂的热重分析(TGA)数据的曲线图。
具体实施例方式
以下，将通过参照附图解释实施方案详细描述本发明。
根据本发明的实施方案，用于燃料电池的载体催化剂包括基于石墨的催化剂载体；吸附于基于石墨的催化剂载体表面上的第一催化剂金属颗粒，其中基于该载体催化剂，第一催化剂金属颗粒的量为至少30重量％；和与第一催化剂金属颗粒的表面结合的第二催化剂金属颗粒。
当制备用于燃料电池的载体催化剂时，增加催化剂金属在溶液中的量、增加合成时间等不能帮助使浸渍于基于石墨的催化剂载体中的催化剂金属量最大化。然而，研究表明通过使用除基于石墨的催化剂载体和该催化剂金属外的另一催化剂金属时，可使浸渍的催化剂金属量最大化。
因此，根据本发明当前实施方案的载体催化剂，除了吸附于基于石墨的催化剂载体表面上的第一催化剂金属颗粒之外，还包括如岛状一样熔合在第一催化剂金属颗粒的表面上的第二催化剂金属颗粒，使得基于载体催化剂的量，浸渍的第一催化剂金属颗粒的量可以为至少30重量％。
图1是根据本发明当前实施方案的载体催化剂中第一催化剂金属颗粒和第二催化剂金属颗粒结合的示意图。如图1所示，在最初制备方法过程中，第二催化剂金属颗粒覆盖第一催化剂金属颗粒的大部分表面。然而，在用酸处理后，与第一催化剂金属颗粒表面结合的第二催化剂金属颗粒形成岛状结构。因此，很明显当前实施方案的载体催化剂中第一和第二催化剂金属颗粒与具有合金结构的常规载体催化剂相比具有不同的结构。
根据本发明，岛状结构是指其中第二催化剂金属颗粒覆盖第一催化剂金属颗粒表面积的0.01～50％的结构。
在这种岛状结构中，基于该载体催化剂，第二催化剂金属颗粒的量可以在0.01～10重量％范围内。当第二催化剂金属颗粒的量在以上范围之外时，催化剂性能可恶化。
图2是说明根据本发明当前实施方案的载体催化剂中浸渍的第一催化剂金属颗粒的量相对第二催化剂金属颗粒的量的曲线图。图2中，第一催化剂金属颗粒由铂形成，第二催化剂金属颗粒由钴形成。参见图2，当不使用钴时，即当不使用第二催化剂金属颗粒时，即使增加铂前体溶液中铂的密度，浸渍在催化剂中铂的量也不增加至高于特定水平。然而，当使用钴时，浸渍的铂量连续增加，其中使用2-步多元醇方法浸渍铂，这将在后面详细说明。因此，根据使用第二催化剂金属颗粒，浸渍第一催化剂金属颗粒的量可增加。
根据当前本发明的实施方案，第一和第二催化剂金属颗粒的总量基于载体催化剂的量可以为至少50重量％，和优选基于载体催化剂的量在50～80重量％范围内。考虑到基于常规载体催化剂的量，常规载体催化剂中催化剂金属颗粒的量不超过40重量％，根据本发明当前实施方案的第一和第二催化剂金属颗粒的总量明显高。
尽管是非限制的，第一催化剂金属颗粒可以由选自铂、金、钌、锇、钯、铂-钌合金、铂-锇合金和铂-钯合金的金属形成。优选，第一催化剂金属颗粒可以由铂形成。
尽管是非限制的，第二催化剂金属颗粒可以由作为二价过渡金属的选自钴、镍、铜、锌、钒、铬、锰、铁和钛的金属形成。优选，第二催化剂金属颗粒可以由钴形成。
第一催化剂金属颗粒的平均粒径可以是6nm或更小，特别是在2～6nm范围内。第二催化剂金属颗粒的平均粒径可以在2～4nm范围内。当第一和第二催化剂金属颗粒的平均粒径大于以上范围时，载体催化剂的性能可恶化。当第一和第二催化剂金属颗粒的平均粒径低于以上范围时，载体催化剂的结构可恶化。
根据本发明当前实施方案的载体催化剂分解温度在400～600℃范围之内，且因此载体催化剂即使在高温下也不容易分解。
根据本发明的另一个实施方案，提供用于燃料电池的载体催化剂的制备方法，包括通过混合第一催化剂金属前体和多元醇制备第一催化剂金属前体溶液；通过混合基于石墨的催化剂载体、多元醇和水制备基于石墨的催化剂载体溶液；混合第一催化剂金属前体溶液和基于石墨的催化剂载体溶液得到第一混合物；滴定第一混合物的pH，然后加热和冷却第一混合物；通过混合第二催化剂金属前体和多元醇制备第二催化剂金属前体溶液；将第二催化剂金属前体溶液加入到以上所得的第一混合物中得到第二混合物，滴定该所得的第二混合物的pH，然后加热和冷却该所得的第二混合物；并过滤、清洗和干燥以上所得的第二混合物。
图3和4是分别说明制备载体催化剂的常规方法和制备根据本发明当前实施方案的载体催化剂的示意流程图。
参见图3和4，根据当前实施方案的制备载体催化剂的方法使用2-步多元醇方法，不象使用1-步多元醇方法的常规方法。
换句话说，制备载体催化剂的常规方法使用1-步多元醇方法，其包括制备铂前体溶液；制备基于石墨的催化剂载体分散溶液；混合该铂前体溶液和该基于石墨的催化剂载体分散溶液得到第一混合物，滴定该第一混合物的pH，然后加热和冷却该第一混合物；并过滤、清洗和干燥该第一混合物。
另一方面，当前实施方案的方法使用2-步多元醇方法，它包括进行上述1-步多元醇方法，然后将第一催化剂金属前体溶液和石墨类催化剂载体溶液的第一混合物与第二催化剂金属前体溶液混合得到第二混合物，然后滴定所得第二混合物的pH，加热并冷却该所得第二混合物。
在2-步多元醇方法中，第一和第二催化剂金属颗粒的浸渍通过使用液相催化剂浸渍方法利用起还原剂和溶剂作用的多元醇进行。如下详述。
第一催化剂金属前体溶于多元醇以制备第一催化剂金属前体溶液。多元醇可以是乙二醇、二甘醇、三甘醇等。第一催化剂金属前体的量可以在0.2～0.8重量份范围内，特别是0.4～0.6重量份的范围，基于100重量份的全部反应溶液的量。这里，全部反应溶液的量是用于溶解金属前体的多元醇量、用于分散碳的多元醇量和水量的总量。当第一催化剂金属前体的量低于0.4重量份时，全部反应溶液的量增加，结果金属催化剂不形成于碳上，而是作为胶体颗粒保留在溶液中。当第一催化剂金属前体的量大于0.6重量份时，还原第一催化剂金属前体所需的溶液量不够的，这又增加了催化剂金属粒径。
多元醇的量可以在105～2*105重量份范围内，基于100重量份的第一催化剂金属前体。如果多元醇的量低于105重量份，第一催化剂金属前体还原能力降低，且因此形成大的催化剂金属颗粒。当多元醇的量大于2*105重量份时，第一催化剂金属前体的还原能力增加，且因此形成多个小颗粒，这导致颗粒的聚集。
基于需要浸渍的第一催化剂金属的类型，可使用作为第一催化剂金属前体的各种化学溶液。例如，当第一催化剂金属前体是铂前体时，可使用四氯铂酸(H2PtCl4)、六氯铂酸(H2PtCl6)、四氯铂酸钾(K2PtCl4)、六氯铂酸钾(K2PtCl6)、或其混合物。当第一催化剂金属前体是钌前体时，可使用(NH4)2[RuCl6]、(NH4)2[RuCl5H2O]等。当第一催化剂金属前体是金前体时，可使用H2[AuCl4]、(NH4)2[AuCl4]、H[Au(NO3)4]H2O。而且，当浸渍合金催化剂时，可以使用具有对应于期望的金属原子比的混合比的前体化合物。
除了制备第一催化剂金属前体溶液外，基于石墨的催化剂载体溶液通过在多元醇和水的混合物中分散基于石墨的催化剂载体而制备。
尽管没有具体地限制，然而基于石墨的催化剂载体可以具有多孔性，至少250m2/g、尤其是500～1,200m2/g范围内的表面积，和10～300nm范围内、尤其是20～100nm范围内的平均粒度。如果表面积在以上范围以下，催化剂的浸渍能力不够。
满足以上特性的基于石墨的催化剂载体实例包括炭黑、ketjen黑(KB)、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子筛、碳纳米管、具有微孔的活性炭粉末、和中孔碳。
在多元醇和水的混合物中，水的量在40～60重量份范围之内，基于100重量份的全部反应溶液。当水的量低于40重量份时，由于还原过程中起缓冲剂作用的水不足，金属颗粒的粒径增加。当水的量大于60重量份时，还原过程中多元醇的相对密度降低，这增加金属颗粒的粒径。当需要时，可控制当前实施方案的基于石墨的催化剂载体的亲水性。
接下来，将第一催化剂金属前体溶液和基于石墨的催化剂载体溶液混合得到第一混合物。滴定该所得第一混合物的pH在9～13范围内、尤其是10～11，然后加热第一混合物。当第一混合物pH低于9时，不形成载体，因为催化剂金属颗粒(如Pt颗粒)在反应溶液中形成胶体。当该所得第一混合物的pH大于13时，催化剂金属颗粒粒径变大，因为催化剂金属颗粒在碳上聚集。
滴定pH之后，加热和冷却第一混合物。加热温度可以在90～115℃范围内，优选在105～110℃范围内。而且，温度可以1.5～3.5℃/分钟，优选2.1～2.4℃/分钟的速度升高。当加热温度低于90℃时，催化剂金属颗粒的还原不能完成。当加热温度高于115℃时，反应溶液快速沸腾，因此催化剂金属颗粒的粒径因为反应溶液中水不够而增加。当温度升高速率低于1.5℃/分钟时，催化剂金属颗粒形成太慢，因此催化剂金属颗粒粒径大。当温度升高速率大于3.5℃/分钟时，形成的催化剂金属颗粒太小，由此引起聚集。因此，第一混合物在上述条件下加热，然后冷却至环境温度，即约25℃。
同时，在根据本发明当前实施方案的载体催化剂制备方法中，进行上述1-步多元醇方法，然后将第一混合物与第二催化剂金属前体溶液混合得到第二混合物。这里，第二催化剂金属前体溶液通过混合第二催化剂金属前体和多元醇制备。接下来，滴定该所得第二混合物的pH，然后在与以上相同的条件下加热和冷却该所得第二混合物。
即，将第二催化剂金属前体溶于多元醇以制备第二催化剂金属前体溶液。该多元醇可以是与用于制备第一催化剂金属前体溶液相同的多元醇。第二催化剂金属前体的量可以在0.01～0.5重量份范围内，基于100重量份的该多元醇。当第二催化剂金属前体的量低于0.01重量份时，前体不能吸附于载体表面上。当第二催化剂金属前体的量大于0.5重量份时，过量的前体吸附于载体表面上，因此催化剂性能可恶化。
第二催化剂金属前体可以是二价过渡金属前体。第二催化剂金属前体的实例包括Fe、Ni、Pd、Sn等。
第二催化剂金属前体溶液与第一混合物混合，然后滴定该所得第二混合物的pH。接着，加热和冷却该所得第二混合物。在这个过程中，pH范围、加热温度、温度升高速率和冷却温度与上述相同。pH滴定、加热和冷却可以重复一次或多次。
当前实施方案的载体催化剂可以通过进行后处理(work-up)方法，如过滤、清洗和干燥该所得第二混合物而最终制备。
根据本发明当前实施方案制备的载体催化剂具有岛状结构。如上所述，该岛状结构是其中第二催化剂金属颗粒与第一催化剂金属颗粒表面如岛状一样结合的结构。第二催化剂金属颗粒覆盖第一催化剂金属颗粒表面积的0.01～50％。这种结构可以通过透射电子显微镜(TEM)观察到。
根据本发明当前实施方案的载体催化剂可以包括在燃料电池的电极催化剂层中。因此，本发明的另一个实施方案提供包括上述载体催化剂的燃料电池用电极。
此外，该载体催化剂可以在各种化学反应中用作催化剂，如加氢、脱氢、偶联、氧化、异构化、脱羧、加氢裂解、烷基化等。
根据本发明的另一个实施方案，提供包括如上所述燃料电池用电极的燃料电池。以下，将参考图5描述包括该载体催化剂的直接甲醇燃料电池(DMFC)。
图5是根据本发明实施方案的直接甲醇燃料电池(DMFC)的图解。
参见图5，DMFC包括供给燃料的阳极32、供给氧化剂的阴极30、和布置在阳极32和阴极30之间的电解质膜40。一般，阳极32包括阳极扩散层22和阳极催化剂层33，阴极30包括阴极扩散层42和阴极催化剂层31。根据本发明当前实施方案，阳极催化剂层33和阴极催化剂层31由上述载体催化剂形成。
隔膜41提供将燃料供给到阳极32的途径。而且，隔膜41起到电子传输器的作用，将阳极32中产生的电子传输到外电路或邻近的单元电池。另一个隔膜50提供将氧化剂供给到阴极30的途径。同时，隔膜50起到电子传输器的作用，将从外电路或邻近单元电池供给的电子传输到阴极30。在DMFC中，含水甲醇溶液通常用作供应到阳极32的燃料，空气通常用作供应到阴极30的氧化剂。
自阳极扩散层22传输到阳极催化剂层33的含水甲醇溶液分解为电子、氢离子、二氧化碳等。氢离子通过电解质膜40传输到阴极催化剂层31，电子传输到外电路，二氧化碳传输到外界。在阴极催化剂层31中，自电解质膜40传输的氢离子、由外电路供应的电子、与自阴极扩散层42传输的空气中的氧反应形成水。
在这种DMFC中，电解质膜40起到氢离子导体、电子绝缘体、隔膜等作用。这里，隔膜防止未反应的燃料传输到阴极30或非氧化剂传输到阳极32。
电解质膜40可以由正离子可逆性(convertibility)聚合物电解质形成，如磺化的高氟化物聚合物(例如，由DuPont制造的Nafion)，该聚合物具有由氟化亚烷基形成的主链和在其末端包括磺酸基的由氟化乙烯基醚形成的侧链。
本发明将参考下列实施例更详细的描述。下列实施例仅为说明性目的，并不用于限制本发明的范围。
制备实施例1将0.96g的第一催化剂金属前体H2PtCI6.xH2O(购自Umicore，Pt的量39.8重量％)溶于2g乙二醇中以制备第一催化剂金属前体溶液。将0.25g TIMREXHSAG碳(购自Timcal Co.，SE＝300m2/g)注入125g的乙二醇和水的混合物中，即105g乙二醇和20g水。将所得混合溶液超声处理20分钟。第一催化剂金属前体溶液和该所得混合溶液混合，并将所得第一混合物搅拌10分钟。随后，使用1M的KOH溶液将该所得第一混合物的pH滴定到11，然后该所得第一混合物再次搅拌10分钟。将所得第一混合物的温度以2.71℃/分钟的速度用35分钟由环境温度(25℃)升至120℃，并维持在120℃下1小时。接下来，将所得第一混合物的温度冷却至环境温度25℃。
将第二催化剂前体CoCl2·6H2O(0.1-0.2g)与上述所得第一混合物混合得到第二混合物。重复所得第二混合物的pH滴定、加热和冷却。因此，所得第二混合物使用离心分离机清洗3～4次。然后，在冻干机中干燥所得第二混合物制备载体催化剂，即具有粒径5.6nm的56重量％Pt/2重量％Co/C催化剂。
图6是说明对在制备实施例1中制备的载体催化剂、购自TKK的Pt/CTEC10V50E和PtCo/C TEC36E52(46％Pt 5.2％Co，5.2nm)的X射线衍射分析数据的曲线图；图6中，111和220各自表示金属的不同晶面。220与111相比具有相对低的峰强度，因此颗粒粒径可以通过使用Debye-Scherrer公式采用111测量。而且，由于111和220是天然铂的晶面，获得的金属是否是铂可以通过峰的位置证实。
图7是说明对在制备实施例1中制备的载体催化剂和购自TKK的PtCo/CTEC36E52(46％Pt 5.2％Co，5.2nm)的热重分析(TGA)数据的曲线图。
参考图7，在制备实施例1中制备的载体催化剂即使在高于PtCo/CTEC36E52的温度下仍具有热稳定性。
实施例1燃料电池的制备包括通过使用在制备实施例1中制备的负载催化剂获得的催化剂层的燃料电池如下制备。
燃料电池的阳极通过在阳极扩散层以5mg/cm2的层密度喷涂PtRu-黑(JM600)而制备。燃料电池的阴极通过在阴极扩散层以3mg/cm2的层密度喷涂制备实施例1的载体催化剂而制备。Nafion 115膜用作电解质膜。将阳极、阴极和电解质膜在125℃下通过在5Mpa压力下加压连接以制备膜电极组件(MEA)。MEA具有其中催化剂层、氢离子传导聚合物膜和电极顺序层压的结构。用于燃料供应的隔膜和用于氧化剂供应的隔膜分别附着在阳极和阴极上制备燃料电池。
根据本发明用于燃料电池的载体催化剂使用基于石墨的催化剂载体以增加燃料电池的耐久性。因此，具有优越的能量密度和燃料效率的用于燃料电池的载体催化剂，可以通过使浸渍于基于石墨的催化剂载体中的金属损失最小化和调节浸渍的金属催化剂量而获得。而且，本发明提供制备该载体催化剂的方法、包括该载体催化剂的电极以及包括该电极的燃料电池。
虽然已参考示范性实施方案特别地显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的变化。
权利要求
1.一种用于燃料电池的载体催化剂，包括基于石墨的催化剂载体；吸附于基于石墨的催化剂载体表面上的第一催化剂金属颗粒，其中基于该载体催化剂，第一催化剂金属颗粒的量为至少30重量％；和与第一催化剂金属颗粒表面结合的第二催化剂金属颗粒。
2.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中第二催化剂金属颗粒覆盖第一催化剂金属颗粒表面积的0.01～50％。
3.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中基于该载体催化剂，第二催化剂金属颗粒的量在0.01～5重量％范围内。
4.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中基于该载体催化剂，第一和第二催化剂金属颗粒的量在50～80重量％范围内。
5.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中第一催化剂金属颗粒由选自铂、金、钌、锇、钯、铂-钌合金、铂-锇合金和铂-钯合金的金属形成。
6.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中第二催化剂金属颗粒由选自钴、镍、铜、锌、钒、铬、锰、铁和钛的金属形成。
7.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中第一催化剂金属颗粒的平均粒径在2～6nm范围内；和其中第二催化剂金属颗粒的平均粒径在2～4nm范围内。
8.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中该载体催化剂分解温度在400～600℃范围之内。
9.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中基于石墨的催化剂载体的表面积在250～1,200m2/g范围内，和其中基于石墨的催化剂载体的平均粒度在10～300nm范围内。
10.根据权利要求1所述的载体催化剂，其中基于石墨的催化剂载体是选自炭黑、ketjen黑(KB)、乙炔黑、活性炭粉末、碳分子筛、碳纳米管、具有微孔的活性炭粉末、和中孔碳的至少一种材料。
11.一种制备用于燃料电池的载体催化剂的方法，包括通过混合第一催化剂金属前体和多元醇制备第一催化剂金属前体溶液；通过混合基于石墨的催化剂载体、多元醇和水制备基于石墨的催化剂载体溶液；将第一催化剂金属前体溶液和基于石墨的催化剂载体溶液混合得到第一混合物；滴定该第一混合物的pH，然后加热和冷却该第一混合物；通过混合第二催化剂金属前体和多元醇制备第二催化剂金属前体溶液；将第二催化剂金属前体溶液加入到该第一混合物中得到第二混合物，滴定所得的第二混合物的pH，然后加热和冷却所得的第二混合物；并过滤、清洗和干燥所得的第二混合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将第二催化剂金属前体溶液加入到该第一混合物中得到第二混合物，滴定pH，和加热和冷却所得的第二混合物进行至少一次。
13.根据权利要求11所述的方法，其中该多元醇由乙二醇、二甘醇、三甘醇或其混合物形成。
14.根据权利要求11所述的方法，其中第一催化剂金属前体的量在0.2～0.8重量份范围内，基于100重量份的权利要求11所述的第一混合物。
15.根据权利要求11所述的方法，其中第一催化剂金属前体溶液中多元醇的量在105～2*105重量份范围内，基于100重量份的第一催化剂金属前体。
16.根据权利要求11所述的方法，其中第二催化剂金属前体溶液中多元醇的量在105～2*105重量份范围内，基于100重量份的第二催化剂金属前体。
17.根据权利要求11所述的方法，其中基于石墨的催化剂载体溶液中水的量在40～60重量份范围之内，基于100重量份的权利要求11所述的第一混合物。
18.根据权利要求11所述的方法，其中滴定pH在9～13范围内。
19.根据权利要求11所述的方法，其中将该所得的第一混合物和该所得的第二混合物加热至90～115℃温度范围内；和其中温度以1.5～3.5℃/分钟范围内的速度升高。
20.根据权利要求11所述的方法，其中第二催化剂金属前体的量在0.01～0.5重量份范围内，基于100重量份的多元醇。
21.根据权利要求11所述的方法，其中第二催化剂金属前体由选自Fe、Ni、Pd和Sn的金属形成。
22.一种用于燃料电池的电极，包括权利要求1～10任一项所述的载体催化剂。
23.一种燃料电池，包括权利要求22所述的用于燃料电池的电极。
全文摘要
提供用于燃料电池的载体催化剂及其制备方法，包括该载体催化剂的燃料电池用电极和包括该电极的燃料电池。更具体地说，提供用于燃料电池的载体催化剂，其包括基于石墨的催化剂载体；吸附于基于石墨的催化剂载体的表面上的第一催化剂金属颗粒，其中基于该载体催化剂，第一催化剂金属颗粒的量为至少30重量％；和与第一催化剂金属颗粒的表面结合的第二催化剂金属颗粒，还提供制备该载体催化剂的方法、包括该载体催化剂的燃料电池用电极和包括该电极的燃料电池。用于燃料电池的载体催化剂使用基于石墨的催化剂载体以增加燃料电池的耐久性。因此，具有优越的能量密度和燃料效率的用于燃料电池的载体催化剂可以通过使浸渍于基于石墨的催化剂载体中的金属催化剂损失最小化并调节浸渍的金属催化剂量而获得。
文档编号B01J37/00GK101017898SQ20061016362
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年2月7日
发明者维克托·罗夫, 徐祥赫 申请人:三星Sdi株式会社