[發(fā)明專利]一種用于燃料電池的催化劑及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210514182.5
• 申請(qǐng)日: 2012-12-04
• 公開（公告）號(hào): CN103855411A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張華民;毛景霞;鐘和香;邱艷玲
• 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): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;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)明涉及燃料電池催化劑，具體地說(shuō)是載體為石墨烯和聚吡咯復(fù)合材料的用于燃料電池的催化劑及其應(yīng)用。

背景技術(shù):

燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。由于它具有污染小、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)電動(dòng)汽車及其他民用場(chǎng)合首選的潔凈、高效的能量轉(zhuǎn)換裝置之一。催化劑的壽命問(wèn)題是制約燃料電池技術(shù)發(fā)展的核心問(wèn)題之一。常用的催化劑是以碳載貴金屬催化劑。碳載體的腐蝕會(huì)導(dǎo)致貴金屬的脫落和團(tuán)聚，從而引起電化學(xué)活性比表面積的降低及催化性能的下降。因此，提高燃料電池電催化劑載體的抗腐蝕性能具有重要的意義。

石墨烯是一種單層石墨晶體，由一種sp²雜化的碳原子以六邊形的形式排列而成。石墨烯一種新型的碳材料，它和已用于燃料電池催化劑的碳材料相比，具有導(dǎo)電性好、比表面積高（理論比表面積高達(dá)2630m²/g）、耐酸腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的碳材料。因此，將石墨烯應(yīng)用于燃料電池催化劑當(dāng)中，具有很好的發(fā)展前景。但是由于其表面缺少官能團(tuán)，導(dǎo)致不易分散或團(tuán)聚，因而貴金屬在其表面不易擔(dān)載。聚吡咯（PPY）因具有制備簡(jiǎn)便、具有較高的導(dǎo)電率、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，深受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本發(fā)明采用聚吡咯修飾石墨烯表面，由于聚吡咯是高分子材料，在貴金屬負(fù)載于其表面時(shí)可以起到錨定作用，提高了貴金屬與石墨烯之間的結(jié)合力，從而提高催化劑的壽命；同時(shí)，聚吡咯是導(dǎo)電聚合物，具有較高的導(dǎo)電性，將其修飾在石墨烯的表面，在不影響載體的導(dǎo)電性的情況下，可以保護(hù)石墨烯載體被酸性物質(zhì)腐蝕，從而進(jìn)一步提高載體的耐酸腐蝕性能。因此，以石墨烯和聚吡咯復(fù)合材料為載體制備的貴金屬催化劑，用作燃料電池電催化劑時(shí)具有高催化性能、高穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于制備一種燃料電池催化劑及其制備方法，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，以石墨烯-聚吡咯復(fù)合材料為載體，其上貴金屬活性成分的負(fù)載量為10-60wt.%。所屬催化劑貴金屬為貴金屬合金或貴金屬單質(zhì)；貴金屬單質(zhì)為Pt、Pd、Au、Ag、Ru、Fe、Co、Ni、Mn或Cu金屬，貴金屬合金為M_xN_y，其中M、N分別為Pt、Pd、Au、Ag、Ru、Fe、Co、Ni、Mn、Cu中的任意一種金屬元素，且M和N互不相同，但至少有一種為貴金屬Pt，x和y分別為10~90中的自然數(shù)，且x+y＝100。

所述催化劑的制備方法如下：

第一步，用hummers方法制備氧化石墨烯粉末；

第二步，將氧化石墨烯粉末與吡咯單體在分散劑中超聲分散均勻，形成混合物A；混合液A中分散劑與氧化石墨烯的質(zhì)量比為100:1~10:1，吡咯單體于混合物A中的濃度為0.01g/L～1g/L；

第三步，向混合液A中滴加氧化劑溶液，攪拌聚合，得到氧化石墨烯-聚吡咯復(fù)合材料混合液B；氧化劑與吡咯單體的質(zhì)量比為1:1~6:1；

第四步，將混合液B中，加入水合肼，反應(yīng)得到石墨烯-聚吡咯復(fù)合材料混合液C；氧化石墨烯和水合肼的質(zhì)量比為：1:1-5:1；

第五步，將混合液C中邊攪拌邊加入可溶性貴金屬鹽和可溶性貴金屬酸中的一種或二種以上，反應(yīng)之后離心、洗滌即可得到貴金屬-石墨烯-聚吡咯復(fù)合材料。

本發(fā)明燃料電池催化劑的制備過(guò)程中，可溶性貴金屬鹽或可溶性貴金屬酸為為H₂PtCl₆、H₂AuCl₆、RuCl₃、PdCl₂、AgNO₃、Fe(NO₃)₃、Co(NO₃)₃、NiCl₂、MnCl₂或CuCl₂。石墨烯-聚吡咯復(fù)合材料和可溶性貴金屬鹽和可溶性貴金屬酸總質(zhì)量之比為：9:1~1.5:1；散劑為為C1～C8一元醇、C2～C8二元醇或C3～C8三元醇中的一種或幾種與水的混合物，其中醇與水的體積比為100：0-1：100；所用氧化劑為三氯化鐵、過(guò)硫酸銨、過(guò)硫酸鉀、過(guò)硫酸鈉、過(guò)氧化氫、重鉻酸鈉、重鉻酸銨或重鉻酸鉀中的一種或二種以上，氧化劑溶液質(zhì)量濃度0.05mg/ml~3mg/ml；第二步的超聲時(shí)間為30～120min，攪拌聚合時(shí)間為8~24h；第四步的水浴溫度為0~25℃，反應(yīng)時(shí)間30~120min，第五步的油浴溫度為30~80℃，反應(yīng)時(shí)間3~6h。