[發明專利]一種燃料電池用氮摻雜碳載鉑基催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201710911527.3
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN109585857B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 戴立森;董拓;朱聿晟;蘭莉紅;王辰曦;宋元峰;劉少名;劉鋒
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;國網陜西省電力公司電力科學研究院;全球能源互聯網研究院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

本發明提供了一種燃料電池用氮摻雜碳載鉑基催化劑的制備方法，其包括制備氮摻雜碳粉、制備氮摻雜碳粉聚合體、制備氮摻雜碳載鉑基混合液以及制備產品。本發明提供的方法，大幅提高了Pt催化劑的利用率，提升了Pt催化劑的性能和穩定性，具有質子傳輸功能，大幅度降低了成本。本發明提供的技術方案采用間歇微波的方式，能很好控制反應溫度，溫升均勻，重復性好。

技術領域

本發明涉及新能源及燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池用具有質子傳輸功能氮摻雜碳載鉑基催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著經濟的發展，能源危機日益嚴重，能源問題已成為當今世界面臨的重大難題，新能源材料及其利用方式的重要性日益凸顯。作為一種高效清潔的電化學發電裝置的燃料電池，其中的質子交換膜燃料電池以能量轉換效率高、無污染、系統結構簡單、能量密度高和燃料攜帶補充方便等優點受到人們的青睞。

作為質子交換膜燃料電池重要組成部分的鉑碳催化劑，其活性和壽命直接影響燃料電池的性能、使用壽命及成本。不同的制備方式對于催化劑的尺寸、形貌和分散方式等能產生很大影響，繼而影響到催化劑的活性和穩定性。就Pt/C催化劑的穩定性而言，目前僅在Pt納米粒子在電池運行條件下的溶解、團聚、電化學燒結等方面對催化劑的穩定性做改進。而實質上，導致Pt/C催化劑不穩定的因素是Pt與碳載體之間的弱相互作用。

近年來，研究表明在碳材料中進行微量元素(N、B等)摻雜或修飾，可以改變碳載體的物理、化學性能，改善Pt與碳載體的相互作用，從而使其具有優異的穩定性。該法的弊端在于并沒有改變Pt/C催化劑質子的傳導功能，僅從Pt顆粒的尺寸、形貌、分散以及與載體C的結合力等原材料角度改善燃料電池的性能、成本和耐久性。但是，Pt/C催化劑制備的燃料電池膜電極必須兼顧電化學反應三相界面以及電子、質子、氣體和水的傳質微通道等多種因素。因此，Pt/C催化劑不僅要考慮Pt顆粒的尺寸、形貌、分散以及與載體C的結合力，而且更要考慮到電化學反應過程中的多相傳質能力。

目前，已公開的Pt/C催化劑均沒有質子傳導功能，而是在制備燃料電池膜電極器件過程中，加入質子交換溶液(如Nafion D520)配制催化劑漿料，然后采用熱壓法、噴涂法等方法在質子交換膜表面上制備幾微米厚的催化層，質子交換溶液的加入賦予了催化層質子傳導能力，形成電池內部的質子運輸回路，與外電路的電子運輸回路閉合，從而實現發電功能。然而，Pt/C催化劑與質子交換溶液(如Nafion D520)所制備的催化層中，離子相(如Nafion聚合物)呈無序納米薄膜態，導致了Pt催化劑的實際利用率不到40％。

因此，需要提供一種在增強Pt/C催化劑的Pt與C載體結合力的同時，能賦予C載體質子傳導功能，提高Pt利用率的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種同時具有電子傳導能力和質子傳導能力的Pt/C催化劑的制備方法。

為了達到上述目的，本發明提供了采用下述技術方案：

一種燃料電池用氮摻雜碳載鉑基催化劑的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

(1)制備氮摻雜碳粉：

在惰性氣氛下對經干燥的氮源溶液浸漬的碳黑熱處理和研磨；

(2)制備氮摻雜碳粉聚合體：

用堿液對上述氮摻雜碳粉與磺酰單體、四氟乙烯、助劑和引發劑進行自由基聚合的聚合體水解，得所述氮摻雜碳粉聚合體；

(3)制備氮摻雜碳載鉑基混合液

將超聲處理10～20min后的氮摻雜碳粉聚合體、鉑前驅體溶液、水和乙二醇混合溶液的pH調節10～13后再超聲處理15～25min；

(4)制備產品：