[發明專利]一種用于甲酸燃料電池鉑基催化體系及其制備方法

有效

• 申請號: 201911096254.7
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110718695B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 嚴乙銘;李澄;徐敏;趙羽飛;倪偉
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/1009
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種用于甲酸燃料電池鉑基催化體系及其制備方法，屬于燃料電池催化劑。將苯胺溶于HCl溶液中，將GO水分散液加到上述苯胺溶液中，超聲分散，攪拌并加入H₂O₂得到混合溶液，混合溶液變為墨綠色，離心分離得到墨綠色產物PANI?GO，洗滌干燥，將制備的PANI?GO分散在超純水中，超聲使其均勻分散；將NiCl₂·6H₂O和H₂PtCl₆水溶液加到上述分散液中，將NaBH₄溶液緩慢滴加到上述溶液中持續攪拌，最終得到黑色產物，離心洗滌干燥，即可。本發明以HCOOH的直接氧化途徑為主，緩解了催化劑CO中毒問題。

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑，具體為一種用于甲酸燃料電池鉑基催化體系及其制備方法。

背景技術

隨著社會經濟和科技的不斷發展，能源短缺和環境污染問題已成為整個世界面臨的巨大難題，尋求高效、清潔、無污染的新型能源刻不容緩。燃料電池憑借其安全可靠、清潔無污染、能源轉化效率高、操作簡單、能量密度高等優點引起了社會的廣泛關注。PEMFCs是一種以PEMFCs早先的研究主要以氫氣作為燃料，但是目前氫燃料來源的問題依然未得到完美的解決。鑒于氫氣燃料所存在的問題，人們在對其進行發展改進的同時，也在不斷尋求新的燃料，包括其它小分子的醇類，醛類和酸類，如乙醇，丙醇，乙二醇，甲醛，甲酸和草酸等。

甲酸分子自身具有比其它燃料更多的優勢，被認為是最具潛力的可替代液體燃料。甲酸無毒，可以作為食品的添加劑；甲酸不易燃，因此其運輸和貶存更為便利；相對于醇類燃料電池和氫燃料電池，在標準狀態下，甲酸氧化具有更高的理論電動勢，能達到1.48V；雖然甲酸的能量密度(2104Wh/L)比甲醇(4900Wh/L)及其它醇類燃料的低，但是DFAFCs中的甲酸氧化反應(Formic Acid Oxidation Reaction，FAOR)可以在高濃度甲酸中進行，甚至可以在高于醇類濃度將近20倍的條件下在陽極上發生電化學氧化，這就抵消了其能量密度低的缺點；甲酸本身是一種電解質，可以提升溶液的質子電導率。另外，甲酸電離出的陰離子與質子交換膜Nafion膜中的磺酸基團有相互的排斥作用，這有利于降低甲酸滲透率。因此，以甲酸為燃料的直接甲酸燃料電池(Direct Formic Acid Fuel Cells，DFAFCs)成為該領域研究的又一熱門。

目前對甲酸氧化活性最高的單金屬催化劑是鉑和鈀。其中，Pt金屬作為甲酸氧化催化劑顯示出很高的催化活性。相比Pd金屬，Pt在酸性溶液中極不容易溶解，因此在長期酸性測試條件下表現出較高穩定性。因此，Pt基催化劑用于甲酸氧化催化劑的研究引起了廣泛關注。在Pt基催化劑上，甲酸氧化大致通過雙途徑的反應機理：直接途徑涉及具有活性中間體的脫氫過程；間接途徑涉及脫水過程，產生吸附的CO物質，只能在較高的電位下被氧化。盡管吸附的CO的初始形成速率非常慢，但由于CO在Pt表面上的積累，這導致了Pt活性位點中毒并抑制了純Pt表面上甲酸直接脫氫氧化途徑的進行。因此DFAFCs技術發展面臨的一大挑戰是如何抑制Pt基催化劑的CO毒化，提高甲酸直接氧化成CO₂。抑制甲酸氧化的間接途徑可以有效的防止CO中毒，然而，目前關于甲酸氧化途徑的研究主要集中在調控合金結構和組成上，其他有效的方法很少報道。因此，提出一種可以促進甲酸以直接途徑為主要氧化途徑的新方法對甲酸氧化途徑的研究具有重要意義。

本發明提出了一種用于甲酸燃料電池鉑基催化劑的載體及其制備方法，可以調控甲酸氧化(FAOR)途徑的新方法，即通過對載體改性，利用金屬載體相互作用實現甲酸直接途徑的選擇性氧化。本發明利用氨基原位聚合形成聚苯胺(PANI)改性氧化石墨烯(GO)，作為直接甲酸燃料電池的陽極催化劑載體。結果表明，與沒有用PANI改性的rGO負載的陽極催化劑相比，改性載體負載的陽極催化顯示了更高的FAOR催化活性，更好的途徑選擇性和更強的抗CO中毒能力。本發明提出了通過金屬載體相互作用去調控甲酸氧化反應途徑的簡單有效方法，為直接甲酸燃料電池新型陽極催化劑的設計提供了依據。

發明內容