[發(fā)明專利]一種Pt-Nafion/C催化劑及其制備和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110367726.5
• 申請(qǐng)日: 2011-11-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103120960A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫公權(quán);朱珊;王素力;姜魯華;夏章訊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): B01J31/28
• 分類號(hào): B01J31/28;B01J37/30;H01M4/92
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池氧還原催化劑，還涉及上述催化劑的制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著煤炭、石油和天然氣等燃料的消耗量與日劇增及能源資源的儲(chǔ)量日益枯竭，尋找環(huán)境友好可持續(xù)發(fā)展的能源技術(shù)迫在眉睫。燃料電池因其具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界各國(guó)研究的焦點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池除了具有其他燃料電池的一般特點(diǎn)外，同時(shí)具有比功率密度與比能量高、可室溫快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)電源、分散電站、電動(dòng)汽車(chē)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料之一。目前，廣泛應(yīng)用的催化劑是以貴金屬Pt為主要活性組分的擔(dān)載型或非擔(dān)載型催化劑，但其有限的資源和較高成本在很大程度上限制了質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展。

傳統(tǒng)的燃料電池電極制備方法采用Pt/C催化劑和Nafion溶液混合而成的漿液制備催化層。這種方法制備的電極，一方面，因質(zhì)子無(wú)法到達(dá)不與聚合物電解質(zhì)Nafion相接觸的Pt納米粒子而導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)能力降低；另一方面，因部分Pt納米粒子和碳載體被Nafion聚合物包裹而導(dǎo)致電子傳導(dǎo)能力降低。上述兩方面的影響均會(huì)導(dǎo)致貴金屬催化劑中Pt的利用率下降。甚至有學(xué)者認(rèn)為，燃料電池中高達(dá)90％的Pt并未得到利用。

近年來(lái)，大量研究工作致力于提高Pt的利用率以降低燃料電池催化劑中Pt的用量，研究主要集中在以下四個(gè)方面：

1)降低碳載體上所擔(dān)載的Pt納米顆粒的粒徑；

2)提高Pt納米顆粒在電極中的分散性；

3)在催化層中引入聚合物電解質(zhì)(如Nafion聚合物)傳導(dǎo)質(zhì)子；

4)在催化劑載體表面引入能夠傳導(dǎo)質(zhì)子的磺酸基團(tuán)。

上述研究均使得燃料電池催化劑中貴金屬Pt的利用率得到了一定程度的提高，但其催化劑中Pt的擔(dān)載量仍在40％-60％左右，且催化劑的氧還原性能及壽命仍沒(méi)有達(dá)到商品化催化劑的水平。因此，低Pt擔(dān)載量、高Pt利用率的催化劑的制備仍是燃料電池進(jìn)一步發(fā)展面臨的亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種Pt-Nafion/C催化劑及其制備和應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種Pt-Nafion/C催化劑，催化劑中Pt質(zhì)量含量為1.0-20.0％，Nafion聚合物質(zhì)量含量為1.0-70.0％，C的質(zhì)量含量為10.0-98.0％。

催化劑中Pt質(zhì)量含量最優(yōu)為1.0-5.0％，Nafion聚合物質(zhì)量含量最優(yōu)為5.0-20.0％，C的質(zhì)量含量最優(yōu)為75.0-94.0％。

一種Pt-Nafion/C催化劑的制備方法，包括以下步驟，

1)碳載體的功能化處理

a.于濃度為3-7mol/L的氧化劑溶液中加入碳載體，攪拌使之形成均勻漿液；

b.將上述漿液加熱至共沸，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行冷凝回流并配合磁力攪拌，4-8小時(shí)后，取出，過(guò)濾，得固體物質(zhì)；

c.采用去離子水對(duì)上述固體物質(zhì)進(jìn)行洗滌，至濾液呈中性后，將所得固體物質(zhì)置于空氣氣氛100-140℃下干燥4-8小時(shí)，得功能化碳載體；

2)離子交換法制備Pt(NH₃)₂(NO₂)₂-Nafion/C催化劑前體

a.將前驅(qū)體鹽Pt(NH₃)₂(NO₂)₂溶解于60-80℃去離子水中，形成前軀體鹽溶液；

b.于乙二醇/水混合溶劑中加入Nafion溶液和步驟1)所得功能化碳載體，攪拌使之混合均勻后，逐滴加入前軀體鹽溶液；

或于乙二醇/水混合溶劑中加入步驟1)所得功能化碳載體，攪拌使之混合均勻后，逐滴加入前軀體鹽溶液，再次攪拌使之混合均勻后，加入Nafion溶液，攪拌使之混合均勻；

或于乙二醇/水混合溶劑中加入Nafion溶液，攪拌使之混合均勻后，逐滴加入前軀體鹽溶液，再次攪拌使之混合均勻后，加入步驟1)所得功能化碳載體，攪拌使之混合均勻；

上述最終形成的混合物中Pt元素與碳元素的質(zhì)量比為2∶1-1∶98，Pt元素與Nafion干樹(shù)脂的質(zhì)量比為20∶1-1∶7；

c.保持上述步驟b得到的混合物的溫度在60-80℃，并進(jìn)行攪拌，12-72小時(shí)后，采用去離子水洗滌，過(guò)濾，得固體物質(zhì)；