[發(fā)明專利]一種聚苯胺包覆碳載體的鉑基脫合金燃料電池催化劑及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710284291.5
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN106960962B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱紅;劉陽;王芳輝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 11237 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司
• 代理人: 耿小強(qiáng)<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明公開了一種聚苯胺包覆碳載體的鉑基脫合金燃料電池催化劑，屬于燃料電池催化劑技術(shù)領(lǐng)域，包括載體和活性組分，載體由聚苯胺包覆炭黑，活性組分為具有核殼型結(jié)構(gòu)的鉑鈷金屬，其中鉑鈷合金為核，鉑為殼；聚苯胺包覆炭黑的載體60重量％～80重量％；具有核殼型結(jié)構(gòu)的鉑鈷金屬20重量％～40重量％；鉑鈷合金的核中，鉑和鈷的原子比為1:0.5～1:3。本發(fā)明聚苯胺包覆碳載體的鉑基脫合金燃料電池催化劑，在載體上包覆聚苯胺，有效降低脫合金過程中酸對碳載體的損傷，在后續(xù)催化劑使用的過程中，聚苯胺比碳載體優(yōu)先氧化，能夠延長脫合金催化劑的使用壽命；可以大大提高催化劑的催化效率和貴金屬的利用率，將促進(jìn)燃料電池的發(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池催化劑及其制備方法，特別涉及聚苯胺包覆碳載體的鉑基脫合金燃料電池催化劑及其制備方法，屬于燃料電池催化劑技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

燃料電池一般以氫氣作為燃料，其陰極催化劑主要是鉑系催化劑，但是鉑資源有限，價格昂貴，阻礙著燃料電池的市場化進(jìn)程。

核-殼型納米結(jié)構(gòu)催化劑是將一種金屬納米微粒包覆在另一種金屬納米微粒的外層，二者間通過化學(xué)鍵或是其他的作用力連接在一起。它除了具有幾種金屬粒子單獨存在時自身的性質(zhì)之外，還具備一些多種金屬結(jié)合后產(chǎn)生的新特性，比單一金屬粒子的催化活性更好。采用相對廉價的過渡金屬作為核，將鉑(Pt)像皮膚一樣包覆在核的外層，大大降低了催化劑中Pt的用量；同時產(chǎn)生的金屬間協(xié)同作用也會幫助調(diào)整氧的表面吸附，改善氧還原反應(yīng)(ORR)催化性能。

US20100197490介紹了一種鉑包覆非貴金屬制備核殼催化劑的一種方法，該方法先將Fe、Co、Ni、W、Cu等非貴金屬的鹽，用化學(xué)還原的方法還原成2-10nm的顆粒，在空氣中干燥后，升溫600℃到800℃，進(jìn)行退火處理，退火時間因不同金屬而定。退火完成后，將該納米顆粒浸入鉑鹽溶液中，利用電化學(xué)置換法在非貴金屬顆粒的表面沉積一薄層Pt殼，從而制備核-殼型納米催化劑。該方法雖然能做出完整的核殼型催化劑，但操作流程復(fù)雜，需消耗大量能源，制備成本高。

CN200610019303介紹了一種用化學(xué)置換法制備核殼催化劑的一種方法，該方法是將非貴金屬鹽配制成溶液，加入一定量的表面活性劑，然后向混合溶液中加入過量的還原劑，制成非貴金屬的納米金屬溶液，再向非貴金屬的納米金屬溶液中加入貴金屬鹽溶液進(jìn)行化學(xué)置換，得到貴金屬包裹在非貴金屬納米顆粒表面的核殼結(jié)構(gòu)催化劑溶液，得到非擔(dān)載型核殼催化劑。最后在非擔(dān)載型核殼催化劑溶液中加入碳載體進(jìn)行吸附，得到擔(dān)載型核殼催化劑。該方法的優(yōu)點是操作過程簡單，制備成本低，但催化劑粒徑偏大，而且催化劑僅靠吸附作用與碳載體連接，很容易在電化學(xué)反應(yīng)過程中脫落，從而降低催化效率。

用脫合金法制備鉑基合金催化劑，是基于金屬對間氧化還原電位的不同，利用電化學(xué)方法除去鉑基合金上的較活潑金屬，來制備表面富含Pt的核-殼型或結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的納米微粒。通常，脫合金操作是將合金催化劑直接放入強(qiáng)酸中進(jìn)行脫合金處理，然后再放入去離子水中進(jìn)行洗滌。而在強(qiáng)酸處理過程中會造成碳載體的損傷，不利于催化劑的壽命。

因此，提供一種載體損傷減小，催化劑使用壽命長的燃料電池催化劑及其制備方法就成為該技術(shù)領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種載體損傷減小，催化劑使用壽命長的燃料電池催化劑。

本發(fā)明的上述發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案達(dá)到的：

一種聚苯胺包覆碳載體的鉑基脫合金燃料電池催化劑，包括載體和活性組分，其特征在于：所述載體由聚苯胺包覆碳黑，所述活性組分為具有核殼型結(jié)構(gòu)的鉑鈷金屬，其中鉑鈷合金為核，鉑為殼；聚苯胺包覆碳黑的載體60重量％～80重量％；具有核殼型結(jié)構(gòu)的鉑鈷金屬20重量％～40重量％；所述鉑鈷合金的核中，鉑和鈷之間的原子比為1:0.5～1:3。

優(yōu)選地，所述具有核殼型結(jié)構(gòu)的鉑鈷金屬的粒徑分布在2～4nm。