[發明專利]一種聚合物電解質燃料電池用電極催化劑材料

在審

• 申請號: 201710190376.7
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN107104236A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 湯佳卉;張利;李沐穎;倪林斌;包錦標
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種制備燃料電池用電極催化劑材料，更具體而言，涉及一種可以用于聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)中的氫的氧化電極和還原電極的電極催化劑材料。

背景技術

燃料電池是通過將燃料的化學能經電化學轉化而不是將其燃燒過程而產生電能的裝置。這是一種沒有污染問題的發電機，因此近來很受關注。燃料電池通過使燃料與氧發生電化學反應來發電。它們可以為各種電氣/電子消費品特別是移動裝置、以及工業、家庭和車輛供電。

聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池的一種，除了具有其他燃料電池的優點外，它還具有常溫下快速起動、結構簡單緊湊、可靠性高等特點。在PEMFC中，氫氣和氧氣分別提供給氧化電極和還原電極，它們通過如下反應產生電流。

氧化電極反應：2H₂→4H⁺+4e

還原電極反應：O₂+4e+4H⁺→2H₂O

總反應：2H₂+O₂→2H₂O

如上所述，在氧化電極中，氫分子被分解并生成4個氫離子和4個電子。由此產生的電子通過外部電路移動，從而產生電流。氫離子通過電解質移動至還原電極，并參與還原電極反應。顯然，燃料電池的效率主要取決于電極反應速率。

電極催化劑是影響電極反應速率的重要因素之一。大多數電極催化劑含有鉑基金屬，因此價格昂貴并且制造成果高。目前，實際應用在PEMFC上的催化劑仍主要為鉑/碳(略寫為Pt/C)。Pt/C雖然具有高比表面積和高導電性等優點，但在PEMFC工作環境下，尤其是在陰極的高氧含量、高電位條件下卻很容易發生腐蝕，其化學和電化學穩定性難以達到PEMFC的壽命要求。碳載體的腐蝕會造成嚴重的后果，主要表現在：碳載體的腐蝕會造成鉑顆粒與載體間的剝離，使鉑顆粒無法獲得電子而失去作用；碳載體的腐蝕還會造成鉑顆粒的塌陷，使鉑顆粒產生聚集，而且塌陷的鉑顆粒更容易受到碳載體的覆蓋或遮蔽；碳載體的腐蝕還會改變材料的表面狀態，通常會降低材料的憎水性，增加氣體傳質阻力，同時碳氧化的中間產物(如CO)還會強烈吸附在鉑的表面，造成催化劑中毒。近年，研究者嘗試使用金屬氧化物作為載體來負載Pt，來提高載體的耐腐蝕能力。例如在專利文獻(CN 104300161 B)采用二氧化鋯納米鏈作為催化劑載體，制備得到催化劑材料。然而由實施例1中耐久性實驗(圖6)可知，當利用二氧化鋯納米鏈作為催化劑載體時，耐久性確實有了一定程度提高，經過45小時的加速退化實驗，ECSA(根據CV曲線上的0.05V到O.4V(vs RHE)的氫脫附面積計算得到)的減少率為5.4％。然而，對比專利文獻(CN 104300161 B)的圖6和圖7，可知，商用的Pt/C催化劑的ECSA為57.4m₂/g，而實施例1對應的催化劑材料的ECSA僅為28.1m₂/g。因此使用二氧化鋯納米鏈作為催化劑載體制備得到的催化劑材料，催化性能要商用的Pt/C催化劑(型號為TEC10E50E，日本田中貴金屬工業)低不少。

背景技術部分所公開的信息僅用于幫助理解本發明的背景，不應當理解為承認或以任何方式暗示該信息形成了本領域技術人員以公知的現有技術。

發明內容

鑒于催化活性、催化劑穩定性為催化劑的重要參數，為實現此目的，本發明提供一種高耐久性(也可稱為高耐腐蝕性)、高催化活性的電極催化劑材料。

本發明人等經過深入研究，最終發現：通過使用含有特定的二氧化鋯納米管和鉑納米粒子制備得到的電極催化劑材料，具有令人滿意的電化學活性和高耐腐蝕性，從而最終完成了本發明。

即，本發明涉及一種聚合物電解質燃料電池用電極催化劑材料，其特征在于，該電極催化劑材料含有作為支撐材料的二氧化鋯納米管以及安置在支撐材料上的鉑納米粒子。

進而，所述的聚合物電解質燃料電池用電極催化劑材料，其中，二氧化鋯納米管的平均長度為1-50μm，平均直徑為10-50nm。，平均直徑為10-50nm。

進而，所述的聚合物電解質燃料電池用電極催化劑材料，其中，鉑納米粒子的含量，相對于100質量份的電極催化劑材料，鉑納米粒子的量為10-50質量份。

進而，聚合物電解質燃料電池用電極催化劑材料的制備方法，其包括：

(1)將二氧化鋯納米管分散在溶劑中配制分散體系A，并配制鉑前體溶液B；