担载催化剂、使用它的电极及包含该电极的燃料电池的制作方法

专利名称：担载催化剂、使用它的电极及包含该电极的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种担载催化剂和使用它的燃料电池，更具体地，本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。
本发明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。
根据本发明的一个方面，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。
根据本发明的另一方面，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。
根据本发明的一个方面，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。
在本发明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次根据本发明的另一方面，提供一种具有上述担载催化剂的电极。
根据本发明的另一方面，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。


通过参考附图详细描述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点变得更加明显
图1和图2是根据本发明实施方案的担载催化剂结构的示意图；图3是制备根据本发明实施方案的担载催化剂的方法的流程图；图4A到4C是在制备根据本发明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是根据本发明实施方案的燃料电池的结构；图6到图9是根据本发明的制备例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是根据本发明的实施例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。
具体实施例方式
在下文中，对本发明进行更详细地描述。
图1和图2是根据本发明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，根据本发明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，根据本发明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。
在根据本发明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，说明根据本发明实施方案的制备本发明的担载催化剂的方法以及该方法中的变量。
本发明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重量份时，质子的还原能力增加，由此产生许多小的催化剂颗粒，导致凝聚。
在金属前体催化剂中，铂前体的实例包括四氯铂酸(H2PtCl4)、六氯铂酸(H2PtCl6)、四氯铂酸钾(K2PtCl4)、六氯铂酸钾(K2PtCl6)或其混合物。Ru前体包括(NH4)2[RuCl6]、(NH4)2[RuCl5H2O]等，及Au前体包括H2[AuCl4]、(NH4)2[AuCl4]、H[Au(NO3)4]H2O等。
对于合金催化剂，使用混合比与所需金属原子比相对应的前体混合物。
除此之外，通过用多元醇和水的混合物分散碳基催化剂担体，制备包含碳基催化剂担体的混合物。
对碳基催化剂担体没有具体的限制，但是其为多孔的，并且具有250m2/g或更大、优选500～1200m2/g的表面积以及10～300nm、优选20～100nm的平均粒径。当表面积低于该范围时，催化剂颗粒的浸渍能力不足。
满足上述需要的碳基催化剂担体可以是选自由炭黑、Ketzen黑(KB)、乙炔黑、活性碳粉未、碳分子筛、碳纳米管、具有微孔的活性碳和中孔碳组成的组中的至少一种材料。尤其是，可以使用Ketzen黑(KB)。
在反应溶液即多元醇和水的混合物中，基于100重量份反应溶液(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重量)，水的量为40～60重量份。当水的量低于该范围时，在还原过程中作为还原剂的水不充分，而且金属颗粒的尺寸增加。当水的量大于该范围时，多元醇的浓度相对较低，并且金属颗粒的尺寸增加。
需要时，可以对碳基催化剂担体进行亲水改性。
将从包含金属催化剂前体的混合物获得的混合物与包含根据上述工艺的金属催化剂颗粒的混合物混合，之后，将所得混合物的pH范围调整到9～13，例如10～11，然后加热之。当混合物的pH低于该范围时，金属催化剂颗粒如Pt颗粒形成胶体，因而未在溶液中形成担体。当混合物的pH高于该范围时，在碳上形成Pt颗粒的凝聚物，颗粒的尺寸增加。
加热温度可以为90～115℃的范围，例如105～110℃。加热速度可以为1.5～115℃/分钟，例如2.1～2.4℃/分钟。当加热温度低于该范围时，不会发生催化剂金属颗粒的完全还原。当加热温度高于该范围时，反应溶液发生突然的沸腾反应，而且反应溶液中水的量是不合适的，导致颗粒的尺寸增加。当加热速度低于该范围时，金属催化剂颗粒如Pt颗粒的生成速度低，因而颗粒尺寸增加。当加热速度高于该范围时，所产生的颗粒具有过小的颗粒尺寸，因而易于凝聚。
在上述条件下加热处理之后，将所得产物冷却到室温(25℃)，然后利用包括过滤、洗涤和冻干的逐步处理，得到本发明的担载催化剂。
根据制备本发明的担载催化剂的方法，可以得到具有单层金属催化剂颗粒结构的担载催化剂，如图1所示。在这种担载催化剂中，基于100重量份担载催化剂，金属催化剂颗粒的量为60～80重量份。碳基催化剂担体的量为20～40重量份。金属催化剂颗粒的平均直径为2～3nm。
为了获得图2所示的具有多层金属催化剂颗粒结构的担载催化剂，可以反复地进行还原过程。具体地，将通过在多元醇中溶解金属催化剂前体而得到的金属催化剂前体的混合物，及通过用多元醇和水的混合物分散碳基催化剂担体而得到的碳基催化剂担体的混合物，混合到利用上述加热处理而得到的产物中，然后重复进行加热处理，优选进行2～3次。这里，加热温度和加热速度如上所述。
在将加热处理得到的产物冷却至室温之后，利用包括过滤、洗涤和冻干的逐步处理，可以得到具有多层结构的担载催化剂，如图2所示。在这种担载催化剂中，基于100重量份担载催化剂，金属催化剂颗粒的量为80～90重量份。碳基催化剂担体的量为10～20重量份。金属催化剂颗粒的平均直径是3.5～5nm。
在根据本发明的实施方案得到的担载催化剂中，通过透射电子显微镜(TEM)可以鉴定金属催化剂颗粒分散在具有单层或多层结构的催化剂担体中的现象。
根据上述方法制备的担载催化剂，可应用于燃料电池的电极催化剂层。特别地，该燃料电池可以为直接甲醇燃料电池(DMFC)。
此外，本发明的担载催化剂可以用作各种化学反应，包括氢化、脱氢、偶联、氧化、异构化、脱羧、氢化裂解和烷基化的催化剂。
图5示出了根据本发明的实例的DMFC的结构。
参见图5，DMFC包括向其提供燃料的阳极32，向其提供氧化剂的阴极30，及置于阳极32和阴极30之间的电解质膜40。一般说来，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32和阴极催化剂层31。在本发明当前的实施方案中，阳极催化剂层33和阴极催化剂层31包括根据本发明的前述方法制备的担载催化剂。
双极板50具有提供燃料至阳极32的路径，并且充当将产生于阳极32的电子传递至外电路或相邻单元电池的电子导体。双极板50具有提供氧化剂至阴极30的路径，并且充当将来自外电路或相邻单元电池的电子传递至阴极30的电子导体。在根据本发明当前实施方案的DMFC中，在提供给阳极32的燃料中主要使用甲醇水溶液，在提供给阴极30的氧化剂中主要使用空气。
通过阳极扩散层22传送到阳极催化剂层33的甲醇水溶液分解成电子、质子、二氧化碳等。该质子通过电解质膜40传送到阴极催化剂层31，该电子传送到外电路，及二氧化碳排放到外部。在阴极催化剂层31中，通过电解质膜40传送来的质子、通过外电路传递来的电子和通过阴极扩散层32传送来的空气中的氧发生发应，而产生水。
在这种DMFC中，电解质膜40充当质子导体、电子绝缘体、隔板等。隔板防止未反应的燃料传送到阴极30或未反应的氧化剂传送到阳极32。
在根据本发明当前的实施方案的DMFC中，用于形成电解质膜40的材料包括阳离子交换聚合物电解质，例如高度氟化的聚合物(如得自Dupont的Nafion)，该聚合物是磺化的，具有由氟化亚烷基形成的主链和由氟化乙烯醚形成的侧链，所述侧链的端部具有磺酸基。
现将参照下面的实施例更详细地说明本发明。下面的实施例仅用于说明，并不旨在于限制本发明的范围。
制备例1将1.4656g的催化剂金属前体H2PtCl6·xH2O(umicore，Pt含量39.8wt％)溶解于10g的乙二醇(EG)中，然后制备包含催化剂金属前体的混合物。将0.25g的碳(KB，SE＝800m2/g)添加到267g的EG和水的混合溶液中(150gEG，117g H2O)，然后通过声波处理20分钟以分散该溶液。将金属前体混合物和碳分散的混合物搅拌10分钟。然后用1M NaOH溶液将所得产物的pH值调整至11，并且再一次搅拌10分钟。
在室温下(25℃)于35分钟内将温度升高到105℃(加热速度2.29℃/分钟)，之后，将所得产物保持2小时。接着将产物的温度升高到110℃，再保持1小时，然后冷却到室温。在室温下，将金属前体溶液(1.4656g的H2PtCl6·xH2O和10g的EG)和6g的H2O加到所得产物中，并将所得产物的pH调整到11。再次进行这种加热过程。使用离心分离机洗涤所得催化剂3～4次，并在冷冻干燥器中干燥。最后，制得具有多层结构的82.4wt％的Pt/C催化剂。
制备例2制备担载催化剂按与制备例1相同的方式，制备具有多层结构的87.5wt％的Pt/C催化剂，只是再进行一次还原处理。
制备例3制备担载催化剂按与实施例1相同的方式，制备具有多层结构的85.7wt％的Pt/C催化剂，只是使用1.8844g催化剂金属前体(H2PtCl6·xH2O)和367g的EG和水的混合溶液(210g的EG，157g的H2O)。
制备例4制备担载催化剂按与制备例3相同的方式，制备90wt％的Pt/C催化剂，只是再进行一次还原处理。
制备例5制备担载催化剂按与制备例1相同的方式，制备具有多层结构的88.9wt％的Pt/C催化剂，只是使用2.5126g的催化剂金属前体(H2PtCl6·xH2O)和467g的EG和水的混合溶液(267g的EG，200g的H2O)。
制备例6制备担载催化剂按与制备例5相同的方式，制备92.3wt％的Pt/C催化剂，只是再进行一次还原处理。
对比制备例1制备担载催化剂该例子中使用商用催化剂，Pt黑(Johnson & Matthew，JM1000)。
对比制备例2制备担载催化剂将0.9422g的催化剂金属前体H2PtCl6·xH2O(umicore，Pt含量39.8wt％)溶解于20g的乙二醇(EG)中，然后制备包含催化剂金属前体的混合物。将0.25g的碳(KB，SE＝800m2/g)添加到180g的EG和水的混合溶液中(80g的EG，100g的H2O)，然后通过声波处理20分钟以分散该溶液。将金属前体混合物和碳分散的混合物搅拌10分钟。然后用1M NaOH溶液将所得产物的pH调整至11，并且再一次搅拌10分钟。
在室温下(25℃)于35分钟内将温度上升到105℃(加热速度2.29℃/分钟)，之后，将所得产物保持2小时。随后将所得产物的温度升高到110℃，再保持1小时，然后冷却到室温。用离心分离机洗涤所得催化剂3～4次，并在冷冻干燥器中干燥。最后，制得具有单层结构的60wt％的Pt/C催化剂。
对比制备例3制备担载催化剂按与对比制备例2相同的方式，制备具有单层结构的70wt％的Pt/C催化剂，只是使用1.4656g的催化剂金属前体(H2PtCl6·xH2O)和280g的EG和水的混合溶液(160g的EG，120g的H2O)。
对比制备例4制备担载催化剂按与对比制备例2相同的方式，制备具有单层结构的75wt％的Pt/C催化剂，只是使用1，8844g的催化剂金属前体(H2PtCl6·xH2O)和380g的EG和水的混合溶液(220g的EG，160g的H2O)。
对比制备例5制备担载催化剂按与对比制备例2相同的方式，制备具有单层结构的80wt％的Pt/C催化剂，只是使用2.5126g的催化剂金属前体(H2PtCl6·xH2O)和480g的EG和水的混合溶液(280g的EG，200g的H2O)。
根据上述制备例1～6和对比制备例1～5，研究担载催化剂的特性，结果示于下面的表1中。
表1

对于表1中的60～80wt％的Pt/C催化剂，其是通过单次还原处理制备的，通过XRD和TEM分析可以确定，在碳上形成了直径小于3nm的细小Pt颗粒。当对这种单层担载催化剂进行2～3次的连续还原处理时，可制得粒径为3.5～5nm且浸渍量为80～90wt％的催化剂。对于其它通过连续重复还原处理而制备的催化剂，浸渍催化剂的量高达约90wt％，这提高了担载催化剂的利用效率。另外，催化剂的平均粒径大约是5nm，这小于Pt黑催化剂7.7nm的平均粒径。因此，预期通过反复还原处理而制备的催化剂可具有较高的催化剂活性。
另外，得到制备例1和4以及对比制备例1和5的担载催化剂的TEM照片。结果示于图6至图9中。
参见图6至图9，在对比制备例1中的Pt黑催化剂中，可以确定催化剂的平均粒径大到12nm，因而Pt颗粒严重聚集。在对比制备例5的Pt/C催化剂中，直径小于3nm的Pt颗粒均匀地分散在碳担体上而形成单层。与这些例子相比，制备例1和4的Pt/C催化剂具有多层的金属催化剂结构，其中Pt颗粒分散在碳担体上而形成单层，且其中其它层的Pt颗粒形成在该单层上。
实施例1燃料电池的制备采用制备例1的担载催化剂得到的催化剂层的燃料电池制备如下。
对于该实施例的燃料电池中所用的阳极和阴极，使用PtRu黑(JM600)分别以5mg/cm2和3mg/cm2(Pt标准)喷涂到实施例1中所用的阳极扩散层22和阴极扩散层32的表面上。电解质膜中使用Nafion 115膜。在5MPa和120℃下，将所得阳极、阴极和电解质膜合在一起，制得膜电极组件(MEA)。该MEA具有催化剂层和电极依次地层叠在质子导电聚合物薄膜的两个表面上的结构。
将供应燃料的双极板和供应氧化剂的双极板均附着在根据实施例1制备的燃料电池的阳极和阴极上，然后测定燃料电池的性能。工作条件如下0.28mL/分钟的1M甲醇水溶液作为燃料，52.5mL/分钟的空气作为氧化剂，及工作温度为50℃。
制备例2燃料电池的制备按与实施例1相同的方式制备燃料电池，只是在制备催化剂层时用制备例4的担载催化剂代替制备例1的担载催化剂。
对比例1燃料电池的制备按与实施例1相同的方式制备燃料电池，只是在制备催化剂层时用对比制备例1的担载催化剂代替制备例1的担载催化剂。
对比例2燃料电池的制备按与对比例1相同的方式制备燃料电池，只是在制备催化剂层时用对比制备例2的担载催化剂代替对比制备例1的担载催化剂。
对比例3燃料电池的制备按与对比例1相同的方式制备燃料电池，只是在制备催化剂层时用对比制备例3的担载催化剂代替对比制备例1的担载催化剂。
对比例4燃料电池的制备按与对比例1相同的方式制备燃料电池，只是在制备催化剂层时用对比制备例5的担载催化剂代替对比例制备例1的担载催化剂。
在实施例1和对比例4的燃料电池中，研究电池电压相对于电流密度的变化，结果示于图10中。在实施例2和对比例1的燃料电池中，研究电池电压相对于电流密度的变化，结果示于图11中。
参见图10和图11，实施例1和2的燃料电池均具有比对比例1和4的燃料电池更高的电池电压。
研究实施例1和2以及对比例1～4的燃料电池在0.4V和50℃下的电流密度，结果示于下面的表2中表2

对比例1的燃料电池包括Pt黑催化剂，而对比例2～4的燃料电池包括具有单层结构的担载催化剂，其具有小于3nm的颗粒直径和60～80wt％的浸渍量。然而，参见表2，具有这种单层结构的对比例2～4的燃料电池的性能并不是很高，因为它们催化剂颗粒直径小。从这些结果可以确认，当Pt颗粒嵌入到碳担体中并形成单层结构时，即使浸渍的Pt催化剂的量高于碳，催化剂利用效率也不会增加。
然而，就实施例1和2而言，其具有多层结构，由于Pt颗粒形成在Pt颗粒上，所以担载催化剂中的Pt颗粒的效用提高了，而且由于浸渍量增加到80～90wt％，所以催化剂层的厚度降低，从而提高了催化活性。
在根据本发明实施方案的担载催化剂中，当平均直径为3.5～5nm的小金属催化剂颗粒以高浓度分散于其中时，催化性能增加。使用本发明的担载催化剂形成的电极，可以制备具有改善能量密度和燃料效率特性的燃料电池。
尽管已经参考其示例性实施方案具体地给出和说明了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明下列权利要求所定义的构思和范围的情况下，本发明可以在形式和细节上方面作出多种变化。
权利要求
1.一种担载催化剂，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。
11.根据权利要求7的担载催化剂，其中该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，具有微孔的活性碳，及中孔碳。
12.一种制备担载催化剂的方法，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。
13.根据权利要求12的方法，还包括对得自操作(c)的产物，反复地进行从操作(a)到操作(c)至少2次。
14.根据权利要求12的方法，其中操作(a)中的催化剂金属前体的量，按操作(a)中所用的多元醇以及操作(b)中所用的多元醇和水的总量为100重量份计，为0.2～0.8重量份。
15.根据权利要求12的方法，其中，在操作(b)中，多元醇和水的混合物中的水的量，按操作(a)中所用的多元醇以及操作(b)中所用的多元醇和水的总量为100重量份计，为40～60重量份。
16.根据权利要求12的方法，其中操作(c)中的混合物的pH为9～13。
17.根据权利要求12的方法，其中，在操作(c)中，混合物的加热温度为90～115℃，加热速度为1.5～3.5℃/分钟。
18.一种电极，其具有根据权利要求1～11中任一项的担载催化剂。
19.一种燃料电池，其包括具有根据权利要求1～11中任一项的担载催化剂的电极。
全文摘要
本发明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。
文档编号B01J37/00GK1931433SQ20061010768
公开日2007年3月21日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年9月14日
发明者刘大钟, 朴灿镐, 李雪娥 申请人:三星Sdi株式会社