[發明專利]一種質子交換膜燃料電池陰極催化劑的制備方法

無效

• 申請號: 200910085170.3
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101562250A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 王新東;葉鋒;苗睿瑛;王同濤;方勇
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92;B01J23/42;B01J37/00;B01J37/16
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技術領域

本發明屬于用化學化工方法生產催化劑的技術領域和燃料電池領域，特別涉及到以鉑為基礎的質子交換膜燃料電池陰極催化劑的制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)有獨特的優越性，燃料來源豐富、價格低廉、能量密度高、環境友好之外，同時還具有室溫快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長等突出特點。利用在電極上直接氧化轉變成電能，同時因其能量密度高、運行溫度低，特別適宜于用作可移動動力源，在手提電源、電動汽車和軍、民通用等領域具有廣闊的發展前景。PEMFC的關鍵材料之一是電極催化劑，其活性直接影響電池的性能。而貴金屬鉑在低溫(＜80℃)運行條件下，亦具有優異的催化性能，所以目前PEMFC所用的電催化劑均以鉑為主要成分。但由于鉑資源有限，價格昂貴。而陰極的氧還原反應電催化劑多采用碳載鉑。由于電催化劑大多數是用貴金屬，成本高，因此對催化劑的要求是：貴金屬的用量少并且具有較高的催化活性。將鉑分散擔載到載體上，主要有兩類方法：化學法與物理法。至今廣泛應用的Pt/C類催化劑主要以化學法制備，物理法正處在發展中。如文獻采用電沉積方法，文獻J.Wang?and?G.M.Swain，Fabrication?and?evaluation?of?platinum/diamond?composite?electrodes?forelectrocatalysts：Preliminary?studies?of?the?oxygen-reduction?reaction，J.Electrochem.Soc.，150(2003)E24-E32報道，在K₂PtCl₆液中電沉積出Pt，對氧氣還原電流僅為單位面積上幾十個微安，且該方法過程催化劑粒徑太大。與此方法相比，文獻K.Amine，M.Mizuhata，and?K.Oguro，et?al.Catalytic?activity?of?platinum?after?exchange?with?surfaceactive?functional?groups?of?carbon?blacks.J.Chem.Soc?Faraday?Trans，91(1995)4451，采用離子交換法將Pt[(NH₃)₄]^2-與碳載體中酸性功能團的H+進行交換，再洗滌過濾、干燥后在H₂氣氛中還原，最后制備出納米級高分散的Pt/C電催化劑。溫度高，過程繁瑣，工序復雜。

發明內容

本發明提出采用浸漬還原-醇溶劑法，碳納米管負載Pt催化劑體系，通過調整前軀體的初始濃度、還原劑和前軀體的比例、還原劑和OH-的比例、醇溶劑比例、前軀體的加入方式以及降低還原溫度等制備質子交換膜燃料電池高效的Pt/CNTs陰極催化劑，使Pt/CNTs催化劑金屬粒子高度分散，并保持納米尺度、大小均勻，不僅可以大幅度提高催化劑對氧氣還原活性，而且制備過程的反應溫度較低，操作簡便。

本發明Pt/CNTs催化劑以碳納米管為載體，其制備過程包括以下步驟：

1、將乙二醇和水按體積比為1∶2～2∶1混合配制成有機溶劑；將碳納米管在500～800℃空氣氣氛中加熱20～70分鐘，然后按照每毫升有機溶劑加入0.5～1.5毫克碳納米管的比例將碳納米管置于有機溶劑中，超聲波分散30～80分鐘，形成碳漿；

2、將氯鉑酸溶解到上述有機溶劑，按照每毫升有機溶劑含4～12毫克鉑配制，超聲波分散10～30分鐘，形成混合均勻的氯鉑酸溶液；

3、將上述氯鉑酸溶液和碳漿按體積比為1∶5～1∶20量取，然后將氯鉑酸溶液逐滴加入碳漿中，超聲分散30～60分鐘，形成混合懸浮液；

4、將氫氧化鈉溶解到有機溶劑中，配制成濃度為0.5～2.5mol·L^-1的氫氧化鈉溶液；

5、將配制的氫氧化鈉溶液加到分散有碳納米管的混合懸浮液中，調節pH為9～13；

6、將甲酸溶解到有機溶劑中，配制成濃度為0.2～0.8mol·L^-1的甲酸溶液；

7、在惰性氣體保護下，于70～120℃溫度范圍，向調節pH值后的混合懸浮液中滴加上述甲酸溶液，恒溫3-12小時，進行還原反應；

8、反應完畢后，過濾，用去離子水洗滌至濾液中不含氯離子，在60～120℃真空干燥，制得高度分散的納米級Pt/CNTs催化劑。