[發明專利]用于質子交換膜燃料電池的PtFe/C催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201210375980.4
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN103706375A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 包信和;李佳媛;汪國雄;譚大力
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;H01M4/92
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池技術，尤其涉及用于質子交換膜燃料電池的PtFe/C催化劑及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)在電動汽車和家庭熱電聯產系統方面具有廣闊的應用前景。目前，制約PEMFC產業化和商業化的一個重要因素是鉑基貴金屬催化劑價格昂貴，造成PEMFC系統成本較高。以功率為80kW的PEMFC電池組為例，催化劑的成本高達34%。在采用純氫氣作為陽極燃料的條件下，氫氣在Pt/C催化劑上的過電位較低，決定PEMFC性能的很大因素取決于陰極催化劑的活性和穩定性，因此提高陰極催化劑的活性和穩定性來顯著減少PEMFC系統中貴金屬鉑的使用量，對降低PEMFC系統成本具有重要意義。

PEMFC中廣泛使用的陰極Pt/C催化劑在電池實際工作條件下容易發生聚集，導致粒徑增大，隨著工作時間的增加，氧還原活性降低。在眾多提高陰極催化劑活性和穩定性的方法中，加入第二組元金屬與Pt形成合金是提高Pt基催化劑氧還原活性和穩定性的一條有效途徑。

文獻1(US?5759944)提供了一種PtNiAu/C催化劑的制備方法：首先在氯鉑酸溶液中加入甲醛溶液還原；然后加入氯化鎳溶液，加入甲醛溶液還原，過濾干燥后，在惰性氣氛和930°C下熱處理形成PtNi/C合金。然后與氯金酸溶液混合，加入甲醛溶液還原得到PtNiAu/C催化劑。在上述過程中所制備的PtNi合金度較低，Ni主要以氧化態形式存在，在酸性介質中不穩定。

文獻2(Journal?of?the?American?Chemical?Society，2011,133,14396-14403.)提供了一種PtNi/C催化劑的制備方法：利用醋酸鎳和乙酰丙酮鉑為金屬前驅體，在二苯醚、油胺、油酸以及二氯苯等組成的混合溶劑中合成了PtNi合金納米粒子，然后負載在碳載體上得到PtNi/C；在0.1molL^-1HClO₄溶液中酸處理，最后在惰性氣氛中400°C處理，所制備的PtNi/C催化劑表現出了較好的氧還原活性和穩定性。在上述制備過程中使用價格較高的金屬前驅體，而且大量使用有機溶劑，對環境造成了一定污染。

文獻3(US?20100267551A1)提供了一種PtCo/C催化劑的制備方法：采用制備好的Pt/C催化劑，加入過渡金屬-有機復合物二乙酰鈷溶液，混合干燥后，經過連續熱處理過程得到PtCo/C合金催化劑。在上述制備過程中所使用的過渡金屬-有機復合物價格較高，增加了催化劑的成本。

文獻4(US?20060116285A1)提供了一種同時化學還原原位形成PtO₂和過渡金屬氫氧化物，然后在300°C以上氫氣氣氛下還原，在600°C以上惰性氣氛下形成合金。在上述制備過程中所得到的催化劑合金度較低，在酸性介質中不能穩定。

文獻5(US?005876867A)提供了一種Pt-過渡金屬催化劑的制備過程：首先將Pt/C催化劑與過渡金屬前驅體溶液混合，待溶劑蒸發后，在900°C形成合金；然后在100~200°C下磷酸溶液中除去20~90%的過渡金屬。在上述制備過程中很難形成均勻的合金，而且合金度較低，在酸處理過程中，大部分的過渡金屬重新溶解。

綜上所述，在文獻1、2、3、4、5中，所陳述的技術存在下列問題：

1.Pt和過渡金屬形成合金的程度較低，導致在酸性介質中不能穩定存在。

2.制備過程中使用了價格較高的貴金屬前驅體，增加了催化劑的成本。

發明內容

本發明公開了一種用于質子交換膜燃料電池的PtFe/C催化劑及其制備方法。

一種用于質子交換膜燃料電池的PtFe/C催化劑，其制備方法如下：

步驟1：將硝酸鐵或氯化鐵溶于去離子水中，加熱到40-60°C，加入一定濃度的氨水，調節溶液pH值不大于3（通常2.5-3），冷卻至室溫；

步驟2：稱取一定質量的Pt/C催化劑，加入到上述制備的溶液中，機械攪拌1-3小時后，在40-60°C的熱板上將溶劑蒸干；

步驟3：將得到的固體粉末置于管式爐中，在氫氬混合氣氛下加熱至不低于700°C，然后立刻停止加熱，冷卻到室溫取出；

步驟4：在酸溶液和低于100°C的溫度下處理12-36小時后，過濾水洗，在惰性氣氛下80°C處理10小時，得到PtFe/C催化劑。

氨水的質量百分數在0.1~1%之間。