[發(fā)明專利]一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑

在審

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• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106784861A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐峰;李時瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊,林文弘

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池催化劑領(lǐng)域，具體涉及一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

背景技術(shù)

燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、低污染甚至零污染等優(yōu)點，被認為是未來理想的一種能量裝換方式。質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，具有燃料易制取且來源廣泛、低溫啟動性能好、零污染等優(yōu)點而具有非常好的應(yīng)用前景。目前質(zhì)子交換膜燃料電池主要以碳材料負載的鉑和鉑基合金為催化劑(Pt/C)。但Pt/C在質(zhì)子交換膜燃料電池工作條件下，金屬催化劑與碳載體易受到化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響質(zhì)子交換膜燃料電池的活性與耐久性。因此，開發(fā)具有較好的活性且能在化學(xué)和電化學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定工作的質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好的活性和耐久性的質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑及其制備方法。所制備的催化劑具有二維層狀且高度有序的特點，具有催化作用的貴金屬位于頂層，鋁/鈦金屬位于中間層，碳位于底層，貴金屬層與鋁/鈦層、鋁/鈦層與碳層之間存在強的作用力，因此催化劑具有很好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，表現(xiàn)出很好的電化學(xué)活性和耐久性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑，呈二維層狀且高度有序，具有催化作用的貴金屬位于頂層，鋁/鈦金屬位于中間層，碳位于底層；所述鋁/鈦金屬為鋁或鈦，又或者是鋁和鈦任意比例的混合。

所述的貴金屬是金、銀、鉑、釕、銠、鈀、鋨和銥中的一種或任意比例的混合。

所述貴金屬與鋁/鈦金屬的摩爾比為2: 1~1.5。

金屬和碳的摩爾比例為n: (n-1)，其中2 ≤ n ≤ 4，所述金屬為貴金屬和鋁/鈦金屬的總和。

如上所述的催化劑的制備方法，具體步驟如下：

1）將貴金屬粉、鋁粉或鈦粉或者是鋁粉和鈦粉任意比例的混合粉末與石墨粉混合，球磨3~24小時后干燥并煅燒，煅燒溫度為1100~1500 ℃，煅燒時間為2~12小時；

2）將煅燒后的產(chǎn)物于酸中攪拌1~24小時，過濾干燥后即得到二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

所述貴金屬粉為300目的貴金屬粉；所述鋁粉為200目的鋁粉，鈦粉為300目的鈦粉；所述的石墨粉為300目的石墨粉。

步驟2）所述的酸為氫氟酸、硫酸、鹽酸、硝酸和高氯酸中的一種或幾種組合。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所制備的催化劑具有二維層狀且高度有序的特點，具有催化作用的貴金屬位于頂層，鋁/鈦金屬位于中間層，碳位于底層，貴金屬層與鋁/鈦層、鋁/鈦層與碳層之間存在強的作用力，因此催化劑具有很好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，表現(xiàn)出很好的電化學(xué)活性和耐久性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不僅僅限于這些實施例。

實施例1

一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的制備方法，具體步驟如下：

1）將390 mg鉑粉、27 mg鋁粉和40 mg石墨粉混合，球磨3小時后烘干；

2）將步驟1）所得產(chǎn)物于1100 ℃煅燒12小時；

3）將步驟2）所得產(chǎn)物于30wt%濃度的氫氟酸中攪拌1小時,過濾干燥后即得到二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

所制得的催化劑，Pt:Al:C=2:1:1。

實施例2

一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑，制備方法如下：

1）將214mg鈀粉、30.5 mg鈦粉和80 mg石墨粉混合，球磨6小時后烘干；

2）將步驟1）所得產(chǎn)物于1300 ℃煅燒6小時；

3）將步驟2）所得產(chǎn)物于3M硫酸中攪拌12小時，過濾干燥后即得到二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

所制得的催化劑，Pd:Ti:C=2:1.5:2。

實施例3

一種二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑，制備方法如下：

1）將214mg金粉、108 mg 銀粉、13.5 mg 鋁粉、24 mg 鈦粉和80 mg石墨粉混合，球磨10小時后烘干；

2）將步驟1）所得產(chǎn)物于1500 ℃煅燒2小時；

3）將步驟2）所得產(chǎn)物于5M硝酸中攪拌24小時，過濾干燥后即得到二維有序的層狀質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。

所制得的催化劑，(Au+Ag):(Al+Ti):C=(1+1):(0.5+0.5):2。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。