[發(fā)明專(zhuān)利]一種直接制備燃料電池用鉑納米晶核殼催化層的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611014908.3
• 申請(qǐng)日: 2016-11-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108110284B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯明;洪紹景;邵志剛;衣寶廉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/10
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/10;H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明公開(kāi)了一種直接制備燃料電池用鉑納米晶核殼催化層的方法。該催化層通過(guò)靜電紡絲技術(shù)，先直接制備Pd/C?Nafion催化層，粘結(jié)劑可以選為PAA、PVP等聚合物高分子，然后在三電極體系中，采用脈沖電沉積技術(shù)在Pd/C催化層上沉積Pt納米晶，最終制備Pd/C@Pt核殼催化層。Pd/C@Pt催化層作陰極，擔(dān)量為Pd 0.038mg cm^?2，Pt 0.085mg cm^?2,其單池最大功率密度為680mW cm^?2(H₂?Air)優(yōu)于商業(yè)化陰極擔(dān)量為0.09mg cm^?2的膜電極。對(duì)兩種催化層進(jìn)行單池加速衰減測(cè)試，可發(fā)現(xiàn)Pd/C@Pt催化層具有更好的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，涉及一種直接質(zhì)子交換膜燃料電池用鉑納米晶核殼催化層的方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被視為用于固定電站、電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電源的理想動(dòng)力源。然后其要想成功的商業(yè)化，主要面臨成本和壽命兩方面問(wèn)題。在燃料電池組件中，催化劑的成本占了近一半，降低催化劑擔(dān)量是降低燃料電池成本的最直接方式。因此，制備高活性催化劑和優(yōu)化電極制備工藝，使低擔(dān)量催化劑仍具有較高的催化性能是目前低溫燃料電池研究的當(dāng)務(wù)之急，對(duì)降低PEMFC的成本，加速其商業(yè)化進(jìn)程具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)制備膜電極方法的不足：碳載催化劑和電解質(zhì)組分隨機(jī)混合，無(wú)法保證其均勻性，無(wú)法有效的構(gòu)筑質(zhì)子、電子、氣體的三相界面，催化層孔較致密，不利于傳質(zhì)，且較低擔(dān)量時(shí)，電池性能很差。為克服傳統(tǒng)制備方法的不足，現(xiàn)提出采用靜電紡絲技術(shù)制備燃料電池催化層，首先將采用靜電紡絲技術(shù)，制備Pd/C催化層后，在三電極體系中電沉積催化劑Pt，提高了催化劑的活性，優(yōu)化了三相界面，使得在較低鉑擔(dān)量時(shí)，電池依然具有較好的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種直接制備質(zhì)子交換膜燃料電池用鉑納米晶核殼催化層的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種直接制備燃料電池用鉑納米晶核殼催化層的方法：

a)制備催化劑漿料：將10-50％Pd/C催化劑、2-10wt.％Nafion溶液和10-12.5wt.％高分子粘結(jié)劑溶液混合，超聲1-4h，攪拌12-48h，得到紡絲漿料；Pd/C 催化劑、Nafion和高分子粘結(jié)劑的質(zhì)量比為10:3-5:2-4；

b)采用靜電紡絲技術(shù)，對(duì)漿料進(jìn)行紡絲，得到Pd/C催化層；

c)在碳紙一側(cè)刮涂質(zhì)量比為10：0.1-3的碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)，制備得到氣體擴(kuò)散層(GDL)；

d)步驟b)得到的催化層采用熱壓法轉(zhuǎn)印到涂有碳粉和PTFE的GDL一側(cè)；轉(zhuǎn)印時(shí)的熱壓溫度為140-145℃，熱壓壓力為0.5-2Mpa，熱壓時(shí)間為2-4min，最后得到氣體擴(kuò)散電極；

e)采用脈沖電沉積技術(shù)，在三電極體系中沉積鉑納米晶；步驟d)得到的氣體擴(kuò)散電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，石墨電極作為對(duì)電極，氯鉑酸和硫酸溶液作為電解質(zhì)；脈沖參數(shù)如下：電流為5-20mA cm^-2，電流供給時(shí)間0.2-1ms，電流斷開(kāi)時(shí)間為1.8-8ms，脈沖電沉積時(shí)間為300-3600s；最終制備得到鈀為核、鉑納米晶為殼的Pd/C@Pt核殼催化層。

步驟a)中Pd/C催化劑中Pd擔(dān)載量為0.05-0.25mg cm^-2。

步驟a)中的高分子粘結(jié)劑為聚合物高分子,可以為聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一種或二種以上；漿的料溶劑為異丙醇和/或水。

步驟c)中將碳粉和5-20wt.％聚四氟乙烯漿料混合物超聲分散均勻，刮涂到碳紙一側(cè)，厚度40-200μm；即制備得到氣體擴(kuò)散層。