一種非貴金屬復(fù)合催化劑、制備方法及其用途
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非貴金屬復(fù)合催化劑、制備方法及其用途，催化劑是由稀土合金與高分子材料混合構(gòu)成的粉狀結(jié)構(gòu)，其中：稀土合金是稀土基AB5型或稀土鎂基A2B7型貯氫合金；高分子材料是聚四氟乙烯或聚氨酯；高分子材料在復(fù)合催化劑中的重量百分比為2-20%。通過球磨，高分子材料粘覆在稀土合金粉表面，表面覆蓋度為20-80%，使得復(fù)合材料同時(shí)兼具親水和疏水性。這樣復(fù)合催化劑既有氣相分解氫氣催化功能，又能在液固相進(jìn)行電化學(xué)氫的氧化反應(yīng)。使之能作為氫擴(kuò)散電極的非貴金屬催化劑且應(yīng)用于氫氧燃料電池。其優(yōu)點(diǎn)是：制作工藝簡單、成本低，完全能夠替代氫氧燃料電池中氫電極的含鉑貴金屬催化劑，應(yīng)用于氫氧燃料電池。
【專利說明】一種非貴金屬復(fù)合催化劑、制備方法及其用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非貴金屬復(fù)合催化劑、制備方法及其用途，屬于復(fù)合催化劑技術(shù) 領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 氫氧燃料電池是一種高效、無污染的化學(xué)電池。電池工作時(shí)，向負(fù)極提供氫氣，向 正極提供空氣或氧氣。經(jīng)電極催化作用，氫氣失去電子被氧化成氫離子(質(zhì)子)，電子經(jīng)過外 部電路，產(chǎn)生電流并到達(dá)正極，在正極與氧原子和氫離子結(jié)合為水。因此，只要給負(fù)極不斷 提供氫氣，給正極不斷提供空氣或氧氣，就可以持續(xù)地提供電源。氫氧燃料電池能直接把化 學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60-80%，理論比能量高達(dá)3600瓦時(shí)/千克（Wh/kg)。由 于電池反應(yīng)后只產(chǎn)生水和能量，因此，它是一種環(huán)保、無污染、高比能量的理想電池。而氫氧 燃料電池汽車是真正能實(shí)現(xiàn)零污染、零排放(無 C0、C02、S和微粒排放物)的清潔完美的一種 新能源汽車。歐美日各國對氫氧燃料電池汽車作為將來汽車動力的研發(fā)投入大量資金。例 如，英國政府大力發(fā)展氫氧燃料電池汽車，計(jì)劃在2030年之前氫氧燃料電池汽車保有量達(dá) 160萬輛，在2050之前市場占有率達(dá)到30-50%。
[0003] 氫氧燃料電池在過去的幾十年中已廣泛被研究，諸多的技術(shù)問題也逐漸被攻克并 取得了許多進(jìn)展。例如氫氣貯存技術(shù)及安全性已逐步得到改進(jìn)和完善，電極催化劑中的貴 金屬鉬及其合金的含量從原有的8. 0毫克/平方厘米(mg/cm2)降至約0. 1毫克/平方厘米 (mg/cm2);或者說,貴金屬鉬含量由原有的19克/千瓦（g/kW)降至0. 9克/千瓦（g/kW)。 盡管如此，氫氧燃料電池作為動力電池，其成本仍然太高，仍然是阻礙氫氧燃料電池汽車發(fā) 展的最大瓶頸。貴金屬鉬催化劑的用量雖已顯著減少，但按全球汽車年產(chǎn)量的5%為氫氧燃 料電池汽車計(jì)算，用于氫氧燃料電池貴金屬鉬的數(shù)量就高達(dá)40噸/年，占全球貴金屬鉬年 用量(約160噸）的四分之一?？梢娰F金屬鉬基催化劑限制了氫氧燃料電池的廣泛應(yīng)用，是 發(fā)展氫氧燃料電池的主要障礙之一。此外，堿性氫氧燃料電池雖可避開貴金屬鉬作為催化 齊U，但在氫電極中大量使用雷尼（Raney)鎳和銀，也導(dǎo)致電池電極的成本偏高，使之難以大 規(guī)模應(yīng)用推廣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服氫氧燃料電池使用貴金屬鉬基或Raney Ni/Ag催化劑而 導(dǎo)致氫氧燃料電池成本居高不下的缺點(diǎn)，提供一種同時(shí)具有氫吸收與氫氧化的雙功能的非 貴金屬復(fù)合催化劑、制備方法及其用途。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 本發(fā)明的非貴金屬復(fù)合催化劑由稀土合金與高分子材料混合構(gòu)成的粉狀結(jié)構(gòu)，其中： 稀土合金是稀土基AB5型或稀土鎂基A2B7型貯氫合金；高分子材料是聚四氟乙烯或聚氨酯； 高分子材料在復(fù)合催化劑中的重量百分比為2-20%。
[0006] 所述稀土基AB5型貯氫合金的分子式是RENi5_ xBx，稀土鎂基A2B7型貯氫合金的分 子式是（RE^yMgy)2 (Ni1Jz)7，兩個(gè)分子式中RE是稀土元素 La、Ce、Pr、NcU Sm、GcU Y中的一 種或幾種，B是Mg、Co、Mn、Al、Fe、Cu、Zn、Sn、Zr、Ti、Si元素中的一種或幾種；式中x、y、z 是原子比，0彡x彡2. 5,0彡y彡0? 5,0彡z彡0? 5 ; 所述非貴金屬復(fù)合催化劑中稀土合金粉的顆粒大小為IOOnm至10 ii m ; 所述稀土合金粉表面部分被高分子材料覆蓋，覆蓋度(被覆蓋的表面積）為20-80% ; 所述復(fù)合催化劑同時(shí)具有疏水性和親水性； 所述復(fù)合催化劑在常溫常壓下具有氣固相氫氣分解催化能力，同時(shí)具有電化學(xué)液固相 氫氧化反應(yīng)能力。
[0007] 合成非貴金屬復(fù)合催化劑的制備方法如下： 先用真空感應(yīng)熔煉爐制備稀土合金錠，或用真空快淬法制備合金微晶/非晶帶； 將稀土合金機(jī)械破碎合金至粉狀； 稀土合金粉在150_340°C和真空度高于IPa的條件下除去表面氧氣并引入氫氣，冷卻 至室溫保持1小時(shí)以上使之形成氫化物；重復(fù)循環(huán)3-5次； 將氫化物在氬氣保護(hù)下轉(zhuǎn)移至球磨機(jī)，球磨合金粉，進(jìn)一步降低合金粉的粒度；并在氬 氣保護(hù)下，按比例加入高分子材料與合金粉混合，繼續(xù)球磨至稀土合金表面20-80%的部分 被高分子材料覆蓋。
[0008] 本發(fā)明的非貴金屬復(fù)合催化劑應(yīng)用于氫氧燃料電池的氫氣擴(kuò)散電極。
[0009] 本發(fā)明的復(fù)合雙功能催化劑主要由二種材料組成，它們分別由稀土合金與高分子 材料構(gòu)成。稀土合金必須是一種在常溫常壓下能夠具有快速吸放和催化分解氫氣的功能， 而高分子材料必須是具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、粘合作用以及疏水性功能。
[0010] 在常溫常壓氫氣氛中，氫電極中的非貴金屬復(fù)合催化劑吸附氫氣并催化分解氫氣 形成氫化物，其反應(yīng)式表示如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：催化劑是由稀土合金與高分子材料混合構(gòu)成 的粉狀結(jié)構(gòu)，其中：稀土合金是稀土基AB 5型或稀土鎂基A2B7型貯氫合金；高分子材料是聚 四氟乙烯或聚氨酯；高分子材料在復(fù)合催化劑中的重量百分比為2-20%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：所述稀土基AB5型貯氫合金 的分子式是RENi 5_xBx，稀土鎂基A2B7型貯氫合金的分子式是（REp yMgy) 2 (NUz) 7，兩個(gè)分子 式中 RE 是稀土元素 La、Ce、Pr、NcU Sm、GcU Y 中的一種或幾種，B 是 Mg、Co、Mn、Al、Fe、Cu、 Zn、Sn、Zr、Ti、Si元素中的一種或幾種；式中x、y、z是原子比，0 < x < 2. 5,0 < y < 0? 5， 0 ^ z ^ 0. 5〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：所述非貴金屬復(fù)合催化劑 中稀土合金粉的顆粒大小為IOOnm至10 ii m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：所述稀土合金粉表面部分 被高分子材料覆蓋，覆蓋度為20-80%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：所述復(fù)合催化劑同時(shí)具有 疏水性和親水性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非貴金屬復(fù)合催化劑，其特征是：所述復(fù)合催化劑在常溫常 壓下具有氣固相氫氣分解催化能力，同時(shí)具有電化學(xué)液固相氫氧化反應(yīng)能力。
7. -種根據(jù)權(quán)利要求1?6所述的非貴金屬復(fù)合催化劑的制備方法，其特征是： 將稀土合金機(jī)械破碎合金至粉狀； 稀土合金粉在150_340°C和真空度高于IPa的條件下除去表面氧氣并引入氫氣，冷卻 至室溫保持1小時(shí)以上使之形成氫化物；重復(fù)循環(huán)3-5次； 將氫化物在氬氣保護(hù)下轉(zhuǎn)移至球磨機(jī)，球磨合金粉，并在氬氣保護(hù)下，按比例加入高分 子材料與合金粉混合，繼續(xù)球磨至稀土合金表面20-80%的部分被高分子材料覆蓋。
8. -種根據(jù)權(quán)利要求1?6所述的非貴金屬復(fù)合催化劑的用途，其特征是：應(yīng)用于氫 氧燃料電池的氫氣擴(kuò)散電極。
【文檔編號】B01J31/32GK104307575SQ201410538860
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】馬志鴻, 劉金榮, 申孟林, 賈濤 申請人:包頭稀土研究院