[發(fā)明專(zhuān)利]坡縷石甲醇燃料電池載體及其制備和應(yīng)用

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110153931.1
• 申請(qǐng)日: 2011-06-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102263270A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷自強(qiáng);張想泰;王輝;王榮方;魏邦興
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 甘肅省知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心 62100
• 代理人: 張英荷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高性能甲醇燃料電池載體材料，尤其涉及一種坡縷石甲醇燃料電池載體；本發(fā)明同時(shí)還涉及該坡縷石甲醇燃料電池載體在制備燃料電池電極催化劑中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。由于燃料電池能高效的提供能源，加之排放小，儲(chǔ)存和運(yùn)輸安全方便、噪音低、常溫使用、燃料攜帶補(bǔ)給方便、無(wú)機(jī)械振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了極大的關(guān)注。盡管此項(xiàng)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但想大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，許多技術(shù)問(wèn)題還亟待解決。其中主要是應(yīng)用于催化燃料的催化劑的成本居高不下，催化劑活性不高，抗腐蝕能力還需進(jìn)一步提高等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用，科學(xué)家從兩個(gè)方面來(lái)解決這些問(wèn)題。一方面是尋找能減少貴金屬的使用的方法，著力尋找穩(wěn)定，價(jià)格低，催化效率高的一類(lèi)催化劑，如合金催化劑，特殊形貌催化劑，核殼催化劑等。另一方面是改進(jìn)負(fù)載催化劑的載體。鉑等納米顆粒催化劑在載體表面長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)減少且部分被毒化，導(dǎo)致催化劑的催化能力降低。主要原因是傳統(tǒng)的載體容易被腐蝕，載體和催化劑顆粒之間的相互作用較弱。因此，燃料電池催化劑的發(fā)展不僅離不開(kāi)研究不同的活性金屬粒子，更離不開(kāi)研究新型載體。近年來(lái)，科學(xué)家致力于選擇和尋找比表面積大、穩(wěn)定性好、表面含有活性基團(tuán)、能對(duì)負(fù)載其上的納米顆粒具有較好的協(xié)效作用的載體。人們制備催化劑所采用的載體從傳統(tǒng)的碳粉載體發(fā)展到納米棒、納米纖維管等，而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)氧化物是一種很理想的燃料電池催化劑高性能載體。

坡縷石?(PLS)是一種廣泛存在的自然資源，其主要成分為二氧化硅，具有特殊的表面結(jié)構(gòu)，在酸性溶液中比較穩(wěn)定。由于坡縷石特殊的表面結(jié)構(gòu)能使Pt沉積在坡縷石表面，而且坡縷石和Pt之間可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，利用坡縷石的這些性質(zhì)可以增強(qiáng)催化劑的活性，同時(shí)提高催化劑的耐腐蝕性。

Nafion（全氟磺酸離子交換聚合物）溶液是燃料電池中常見(jiàn)的導(dǎo)電膜。研究發(fā)現(xiàn)，坡縷石用Nafion溶液處理以后，能提高載體的導(dǎo)電性，而且可使坡縷石附著在電極表面，從而使Pt更容易沉積在坡縷石表面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，并利用坡縷石和Nafion的性質(zhì)，提供一種具有高活性的坡縷石甲醇燃料電池載體。

本發(fā)明的另一目的是提供一種該高活性坡縷石甲醇燃料電池載體在制備燃料電池電極催化劑中的應(yīng)用。

本發(fā)明坡縷石甲醇燃料電池載體，是將坡縷石置于2~4?M的鹽酸溶液中，攪拌4~12小時(shí)，抽濾，干燥，研磨，得坡縷石前體；再將坡縷石前體加入質(zhì)量濃度1~?5%的?nafion溶液中，超聲10~30分鐘，使坡縷石前體均勻分散于nafion溶液中，得坡縷石甲醇燃料電池載體。所述坡縷石前體加入量為：每升nafion溶液中加入5~10?g?坡縷石前體。

圖1為處理前PLS和其在2M鹽酸處理后的XRD圖。由圖1看出，鹽酸處理后PLS的XRD圖在20.9°、21.3°、26.6°出現(xiàn)了明顯的SiO₂的特征峰。說(shuō)明在酸處理后的PLS中，其它部分氧化物已經(jīng)被溶解，在PLS表面主要是穩(wěn)定存在的SiO₂。

圖2為PLS處理前（A）和其在2?M鹽酸處理后（B）的透射電鏡圖。由圖2可以看到，用酸處理后的PLS表面有明顯的刻蝕，形成了不平整的多孔結(jié)構(gòu)。而PLS表面的多孔結(jié)構(gòu)可以與活性金屬粒子（如?Pt）產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)可以使活性粒子更好的分散。

由此可見(jiàn)，本發(fā)明制備的坡縷石甲醇燃料電池載體，是以酸處理的坡縷石為基體，以nafion溶液修飾的產(chǎn)物，其具有活性高、比表面積大等特點(diǎn)。載體中PLS提供的表面多孔結(jié)構(gòu)可以與活性金屬粒子（如Pt）產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，同時(shí)可以使活性粒子更好的分散，促進(jìn)金屬粒子的催化活性；另外，PLS（坡縷石）具有較強(qiáng)的耐腐蝕作用，能夠增加催化劑的穩(wěn)定性。因此，可作為催化劑載體用于制備燃料電池電極催化劑。

以坡縷石甲醇燃料電池載體在制備燃料電池電極催化劑中的應(yīng)用，是將坡縷石甲醇燃料電池載體涂覆于金電極表面，晾干；再采用電化學(xué)沉積法使貴金屬催化劑分散在甲醇燃料電池載體的表面，得坡縷石負(fù)載貴金屬催化劑。

所述坡縷石甲醇燃料電池載體涂覆于金電極表面的厚度為0.1~0.5mm。

所述電化學(xué)沉積的工藝為：將金電極置于1~5?mg/ml的貴金屬氯化物與0.5~1?M的硫酸混合溶液中，采用電化學(xué)掃描儀（CHI640D）進(jìn)行掃描：掃描速度為20~50?mV/s，電壓在-0.2~0.6?V，掃描圈數(shù)為50~100圈。