本发明专利技术提供一种担载催化剂，包括该担载催化剂的电极，及使用该电极的燃料电池。该担载催化剂包括碳基催化剂担体及以多层结构吸附于碳基催化剂担体表面的金属催化剂颗粒，该金属催化剂颗粒的平均直径为３．５～５ｎｍ，用量按１００重量份的担载催化剂计为８０～９０重量份。在本发明专利技术的担载催化剂中，由于平均直径为３．５～５ｎｍ的小金属催化剂颗粒以高浓度、高分散度和多层结构的形式分散，所以可以提高催化效率。利用由该担载催化剂形成的电极，可以制得具有改进能量密度和燃料效率特性的燃料电池。
【技术实现步骤摘要】
担载催化剂、使用它的电极及包含该电极的燃料电池
本专利技术涉及一种担载催化剂和使用它的燃料电池，更具体地，本专利技术涉及具有改善催化性能的高浓度、高分散度的碳载催化剂及使用该碳载催化剂的燃料电池，该碳载催化剂是利用多元醇处理制备的，其中金属催化剂颗粒如铂通过多元醇处理浸渍在碳基催化剂担体的表面上以形成单层结构或多层结构。
技术介绍
燃料电池是可能替代化石燃料并具有大功率密度和高能量转换效率的未来清洁能源。燃料电池能够在环境温度下工作并且能使其小型化和气密封。因此，燃料电池可被用于很宽的应用范围例如零排放车辆、家庭供电系统、移动通讯设备、医疗设备、军事装备、航天设备和便携式电子设备。质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)是通过甲醇、水和氧的电化学反应产生直流电的供电系统。它们包括向其供应液体和气体的阳极和阴极以及具有在阳极和阴极之间插入有质子导电薄膜的结构。包含在阳极和阴极中的催化剂分解氢或甲醇形成穿过质子导电薄膜的质子并由于阴极中催化剂的作用而与氧发生反应，由此发电。如上所述，包含在燃料电池阴极和/或阳极中的催化剂促进燃料的电化学氧化和/或氧的电化学还原。在PEMFC中，使用具有分散在非晶碳担体中的铂颗粒的催化剂作为阳极和阴极的催化剂。在DMFC中，阳极使用PtRu，阴极使用铂颗粒或者具有分散于碳担体中的铂颗粒的催化剂。US 6686308和US 6551960中公开了具有分散于碳担体中的铂颗粒或铂钌颗粒的担载催化剂的制备方法。根据上述专利中所述的制备方法，如果金属催化剂颗粒如铂颗粒分散在碳担体中，则铂颗粒会被碳颗粒所覆盖，使得金属催化剂颗粒的重量增加-->80％或更大。这样，金属催化剂颗粒尺寸的增加导致浸渍问题。因而，催化活性和效用的降低，导致单元电池的性能下降。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有改善催化活性和利用效率的高浓度担载催化剂及制备该高浓度担载催化剂的方法，其中催化剂金属颗粒高度分散在碳基催化剂担体上以形成单层，而且其中其它催化剂金属颗粒浸渍在该催化剂金属颗粒单层上以形成多层。本专利技术还提供一种包括上述担载催化剂的电极，以及因其中使用该电极而具有改善的能量密度和燃料效率特性的燃料电池。根据本专利技术的一个方面，提供一种担载催化剂，包括：碳基催化剂担体；及吸附在碳基催化剂担体表面上的金属催化剂颗粒的多层结构，所述金属催化剂颗粒的平均直径为3.5～5nm，其用量按100重量份的担载催化剂计为80～90重量份。根据本专利技术的另一方面，还提供一种担载催化剂，包括：碳基催化剂担体；及金属催化剂颗粒单层结构，所述金属催化剂颗粒具有2.5～3nm的平均直径，其用量按100重量份的担载催化剂计为60～80重量份。根据本专利技术的一个方面，提供一种制备所述担载催化剂的方法，该方法包括：(a)混合催化剂金属前体和多元醇，制得包含催化剂金属前体的混合物；(b)混合碳基催化剂担体以及多元醇和水的混合物，制得包含碳基催化剂担体的混合物；及(c)混合包含催化剂金属前体的混合物和包含碳基催化剂担体的混合物，调整混合物的pH，并且加热pH调整后的混合物。在本专利技术的制备担载催化剂的方法中，进一步包括：对得自操作(c)的产物，反复地进行从操作(a)到操作(c)至少2次根据本专利技术的另一方面，提供一种具有上述担载催化剂的电极。根据本专利技术的另一方面，提供一种使用具有上述担载催化剂的电极的燃料电池，其具有改善的能量性能，例如电池电压。 附图说明通过参考附图详细描述其示例性实施方案，本专利技术的上述及其它特征和优点变得更加明显：-->图1和图2是根据本专利技术实施方案的担载催化剂结构的示意图；图3是制备根据本专利技术实施方案的担载催化剂的方法的流程图；图4A到4C是在制备根据本专利技术实施方案的担载催化剂的方法中影响金属催化剂颗粒尺寸的变量的图表；图5是根据本专利技术实施方案的燃料电池的结构；图6到图9是根据本专利技术的制备例1和4以及对比制备例1和5得到的担载催化剂的扫描电子显微镜(SEM)照片；和图10和图11是根据本专利技术的实施例1和2以及对比例1和4制备的燃料电池的电池电压和电流密度之间关系的曲线图。 具体实施方式在下文中，对本专利技术进行更详细地描述。图1和图2是根据本专利技术实施方案的担载催化剂的结构示意图；按100重量份的担载催化剂计，根据本专利技术实施方案的高浓度碳载催化剂具有数量为60～80重量份的金属催化剂颗粒11，并且具有2～3.5nm的平均粒径。金属催化剂颗粒11结合在碳基催化剂担体10上，并且形成单层结构。这里，术语″单层″是在金属催化剂颗粒11没有聚集的情况下分散在碳基催化剂担体10的碳上的层，如图1所示。如果金属催化剂颗粒11的数量和平均直径在上述范围以下或以上，则不会有催化活性。参见图2，按100重量份的担载催化剂计，根据本专利技术另一实施方案的高浓度碳载催化剂具有数量为80～90重量份的金属催化剂颗粒21a和21b，并且具有3.5～5nm的平均粒径。金属催化剂颗粒21a和21b形成如图2所示的多层结构。这里，术语″多层″是指这样的结构，该结构包括碳基担体20，分散在碳上的第一金属催化剂颗粒21a，及浸渍在第一金属催化剂颗粒21a上而不是浸渍在碳基担体20没有分散第一金属催化剂21a的表面上的第二金属催化剂颗粒21b。当第一金属催化剂颗粒21a和第二金属催化剂颗粒21b的量低于80重量份时，不能形成多层结构，并且催化剂的效用降低。此外，当第一金属催化剂颗粒21a和第二金属催化剂颗粒21b的量高于90重量份时，第一金属催化剂颗粒21a和第二金属催化剂颗粒21b的尺寸增加，并且不会产生催化-->活性。而且，当第一金属催化剂颗粒21a和第二金属催化剂颗粒21b的平均直径低于3.5nm或者高于5nm时，也不会有催化活性。在根据本专利技术当前实施方案的担载催化剂中，考虑到催化效能，多层结构的层数优选为2或以上。在下文中，将将参照图3以及图4A至图4C，说明根据本专利技术实施方案的制备本专利技术的担载催化剂的方法以及该方法中的变量。本专利技术的担载催化剂的制备是通过将金属催化剂颗粒浸渍到催化剂担体中来进行的。在下面将要描述的该方法中，使用多元醇作为还原剂或溶剂，并且将其称为液体催化剂浸渍工艺。将金属催化剂前体溶于多元醇中并制备含金属催化剂前体的混合物。多元醇包括乙二醇、二甘醇和三甘醇，并且基于100重量份的反应溶液(这里，反应溶液的重量是指溶解金属前体的多元醇，分散碳的多元醇和水的总量)，金属催化剂前体的量为0.2～0.8重量份，优选为0.471～0.503重量份。当金属前体的量低于0.2重量份时，溶液的总量增加，并且金属催化剂以胶体颗粒存在于溶液中而不是形成在碳上。当金属前体的量高于0.8重量份时，还原金属前体的溶液的量不足，并且颗粒的尺寸显著增加。基于100重量份催化剂金属前体，多元醇的量为105～2×105重量份。当多元醇的量低于105重量份时，质子的还原能力减弱，由此产生大的催化剂颗粒。当多元醇的量高于2×105重量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种担载催化剂，包括：碳基催化剂担体；和金属催化剂颗粒的多层结构，所述金属催化剂颗粒的平均直径为３．５～５ｎｍ，用量按１００重量份的担载催化剂计为８０～９０重量份。
【技术特征摘要】
KR 2005-9-14 85590/051.一种担载催化剂，包括：碳基催化剂担体；和金属催化剂颗粒的多层结构，所述金属催化剂颗粒的平均直径为3.5～5nm，用量按100重量份的担载催化剂计为80～90重量份。2.根据权利要求1的担载催化剂，其中所述金属催化剂颗粒是由至少一种选自由铂(Pt)、钌(Ru)、钯(Pd)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)和金(Au)组成的组中的材料形成的。3.根据权利要求1的担载催化剂，其中所述金属催化剂颗粒的多层结构为其中第二金属催化剂颗粒浸渍在布置于碳基催化剂担体上的第一金属催化剂颗粒的上表面的结构。4.根据权利要求1的担载催化剂，其中所述金属催化剂颗粒之多层结构中的层数为2或3。5.根据权利要求1的担载催化剂，其中所述碳基催化剂担体具有250m2/g或更大的表面积和10～100nm的平均粒径。6.根据权利要求1的担载催化剂，其中所述碳基催化剂担体包括至少一种选自下列的材料：炭黑，Ketzen黑，乙炔黑，活性碳粉未，碳分子筛，碳纳米管，具有微孔放热活性碳，及中孔碳。7.一种担载催化剂，包括：碳基催化剂担体；和单层结构的金属催化剂颗粒，该金属催化剂颗粒的平均直径为2.5～3nm，其用量按100重量份的担载催化剂计为60～80重量份。8.根据权利要求7的担载催化剂，其中所述单层结构的层数为1。9.根据权利要求7的担载催化剂，其中所述金属催化剂颗粒是由至少一种选自下列的材料形成的：铂(Pt)，钌(Ru)，钯(Pd)，铑(Rh)，铱(Ir)，锇(Os)，及金(Au)。10.根据权利要求7的担...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘大钟，朴灿镐，李雪娥，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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