[發(fā)明專利]一種以MOF為模板的低Pt載量燃料電池催化劑的制備方法

有效

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• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108428906B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭偉;邢以晶;李賞;朱從懿;潘牧
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發(fā)明涉及一種以MOF為模板的低Pt載量燃料電池催化劑的制備方法，包括有以下步驟：將硝酸鈷，2?氨基對苯二甲酸和三乙烯二胺分散在N,N?二甲基甲酰胺中形成MOF前驅(qū)體混合溶液；利用溶劑熱法制備MOF，洗滌，烘干獲得MOF粉末；加入到氯鉑酸鈉或氯鉑酸溶液中攪拌溶解后，靜置，洗滌，烘干；在惰性氣氛下進行高溫處理并酸洗，最后將產(chǎn)物離心洗滌、烘干，研磨后得低Pt載量燃料電池催化劑。具有以下優(yōu)點和有益效果：明顯降低了催化劑中的Pt含量，從而可以解決目前燃料電池所面臨的催化劑高成本問題；涉及的低Pt載量催化劑，催化活性優(yōu)良，與現(xiàn)有商業(yè)Pt/C催化劑相比，Ptd的質(zhì)量活性提高了2?5倍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池催化劑領(lǐng)域，具體涉及一種以MOF為模板的低Pt載量燃料電池催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

氫燃料電池是利用氫氣和燃料電池產(chǎn)生電能，其作為一種真正意義上的零污染，零排放能量轉(zhuǎn)換工具，是未來新能源汽車的必然方向。燃料電池不僅在汽車等交通工具中具有廣闊的應(yīng)用前景，而且在我們的日常生活中也將被廣泛使用。雖然距離燃料電池技術(shù)的成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用還有很長的路，但是有理由相信在不久的將來，新能源燃料電池技術(shù)將會給我們的社會和經(jīng)濟生活帶來翻天覆地的變化。

在燃料電池的發(fā)展中對高效低成本的陰極氧還原(ORR)電催化劑的研究是一個長期以來的熱門話題。與燃料電池陽極的氫氣反生的氧化反應(yīng)相比，陰極的氧氣還原反應(yīng)過程復(fù)雜，動力學緩慢，電化學極化大，這使得陰極催化劑效率低，成為進一步降低貴金屬催化劑用量或者使用其他非貴金屬催化劑的難點，例如發(fā)生氫氧化過程的陽極僅需0.05mg/cm2的商業(yè)Pt碳催化劑，而氧還原過程的陰極需要0.4mg/cm2載量的商業(yè)Pt碳催化劑。燃料電池陰極氧還原反應(yīng)動力學緩慢造成陰極催化劑對Pt需求量很高，而目前Pt資源的匱乏和高昂的成本需降低Pt使用量，這兩者之間的矛盾阻礙了燃料電池商業(yè)化應(yīng)用。

目前PEMFC催化層主要由Pt和Pt合金類催化劑組成。Pt或Pt合金(直徑在2-3nm)被負載在一些高比表面積或多孔碳上構(gòu)成催化劑，為了在反應(yīng)時增加質(zhì)子傳導(dǎo)和催化劑的利用率在催化層中還會加入Nafion溶液。但是催化劑在工作的過程中，由于Pt的表面張力的作用以及碳載體的腐蝕會發(fā)生Pt的流失與顆粒的團聚，這將導(dǎo)致Pt的催化活性降低，從而大大降低電池的性能，影響電池的性價比。

從長遠來看，為了實現(xiàn)燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用，必須尋找對ORR具有高催化活性的非貴金屬催化劑或者低Pt載量高活性的催化劑來代替或減少Pt的使用是降低PEMFC成本的根本途徑。實現(xiàn)Pt基催化劑的高效利用和替代，目前主要有三種途徑：(1)將非貴金屬與Pt基金屬合金化，實現(xiàn)Pt金屬用量的減少；(2)通過改變Pt顆粒的載體并優(yōu)化載體性能，提高Pt顆粒在載體上的穩(wěn)定性以及均勻分散程度，從而提高Pt基催化劑的穩(wěn)定性和使用壽命；(3)使用非貴金屬催化劑完全代替現(xiàn)行貴金屬電催化劑，開發(fā)過渡金屬的氮化物、硫化物、氰化物等摻雜型復(fù)合催化劑，或者完全非金屬催化劑。雖然非貴金屬催化劑具有較高的活性和一定的穩(wěn)定性，但是一般的非貴金屬電催化劑在酸性工作環(huán)境中的ORR性能與Pt基催化劑還是有一定的差距，這限制了非貴金屬的在酸性環(huán)境中的應(yīng)用。因此開發(fā)高比表面積、結(jié)構(gòu)可控的Pt合金電極是解決以上難題的有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明以提高燃料電池陰極催化Pt質(zhì)量活性和穩(wěn)定性為目的，提供了一種以MOF為模板的低Pt載量燃料電池催化劑的制備方法，所得催化劑將Pt納米顆粒負載在MOF模板上，所得低Pt載量催化劑的Pt質(zhì)量活性和穩(wěn)定性均顯著高于商業(yè)化的Pt/C催化劑。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種以MOF為模板的低Pt載量燃料電池催化劑的制備方法，包括有以下步驟：

1)將硝酸鈷，2-氨基對苯二甲酸和三乙烯二胺分散在N,N-二甲基甲酰胺中形成MOF前驅(qū)體混合溶液；

2)將上述混合溶液轉(zhuǎn)移到密閉容器中利用溶劑熱法制備MOF，將MOF沉淀物離心洗滌后，真空烘干獲得MOF粉末備用；