[發(fā)明專利]一種基于刻蝕處理碳載體的鉑基催化劑的制備方法及其應(yīng)用

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• 申請日: 2019-12-16
• 公開（公告）號: CN111106357A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張瑋琦;馬強(qiáng);蘇華能;徐謙
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發(fā)明涉及燃料電池催化劑領(lǐng)域，涉及一種基于刻蝕處理碳載體的鉑基催化劑的制備方法及其應(yīng)用；步驟為：首先制備得到刻蝕處理后的碳載體；然后，將氯鉑酸加入乙二醇溶液中，再加入檸檬酸鈉和碳載體，均勻分散后，調(diào)節(jié)溶液的pH值，置于密封的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)；經(jīng)冷卻、調(diào)節(jié)pH、超聲、過濾、干燥，得到基于刻蝕處理碳載體的鉑基催化劑；本發(fā)明操作簡單、使用刻蝕后的碳載體具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，能夠促進(jìn)鉑納米顆粒的均勻分散和附著，增大催化劑納米粒子的電化學(xué)活性表面積，提高催化活性，限制鉑納米顆粒的遷移和流失，提高穩(wěn)定性；并且，使用刻蝕處理碳載體的催化劑表現(xiàn)出了比商業(yè)Pt/C催化劑更高的活性及更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池催化劑領(lǐng)域，特別涉及一種基于刻蝕處理碳載體的鉑基催化劑的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

聚電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)作為第五代燃料電池，被認(rèn)為是本世紀(jì)最有前景的清潔能源技術(shù)之一。有關(guān)這類燃料電池的研究是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，然而實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻面臨著燃料需要重整凈化、水熱管理困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高昂等問題。提高燃料電池運(yùn)行溫度被認(rèn)為是解決目前聚合物電解質(zhì)膜燃料電池面臨主要問題的理想途徑。與傳統(tǒng)的低溫膜燃料電池(LT-PEMFC)相比，高溫膜燃料電池(HT-PEMFC)運(yùn)行溫度是120℃～200℃，在這個(gè)溫度區(qū)間，催化劑具有更高的活性和抗CO中毒能力。同時(shí)，高溫膜燃料電池產(chǎn)生的余熱具有較高的回收價(jià)值，便于系統(tǒng)整體效率的提高。此外，由于非水的質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)理，高溫膜燃料電池不需要對反應(yīng)氣體進(jìn)行任何加濕處理，從而消除了低溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中的復(fù)雜的水管理環(huán)節(jié)，從根本上簡化了燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。目前，HT-PEMFC已成為PEMFC的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

貴金屬Pt是PEMFC最常見的催化材料，催化劑的活性和穩(wěn)定性對于PEMFC的商業(yè)化應(yīng)用來說起著至關(guān)重要的作用。碳材料由于其極好的導(dǎo)電性和高比表面積被廣泛地應(yīng)用于Pt基催化劑載體。然而在HT-PEMFC較為嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境(酸性和高溫)中，催化劑易發(fā)生老化。位于陰極碳載體上的Pt基催化劑會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的碳腐蝕和較弱的金屬載體相互作用，致使Pt顆粒發(fā)生溶解和聚集，從而導(dǎo)致相對較差的催化活性和穩(wěn)定性；這些缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了HT-PEMFC的發(fā)展與應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，針對所述HT-PEMFC中鉑碳催化劑快速老化的問題，提供一種簡單的碳載體刻蝕處理方法，使其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可以促進(jìn)鉑納米顆粒的均勻分散和附著，增強(qiáng)鉑與碳載體的相互作用，增大鉑碳催化劑中鉑納米顆粒的電化學(xué)比表面積，進(jìn)而提高HT-PEMFC的性能和穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

(1)將碳載體均勻分散于丙酮溶液中，過濾后，經(jīng)去離子水洗滌、干燥，得到丙酮處理的碳載體；將丙酮處理的碳載體浸入硝酸和雙氧水的混合溶液中；然后在一定溫度條件下進(jìn)行回流，再經(jīng)去離子水洗滌、干燥，得到干燥后的樣品，分散于Fe(NO₃)₃溶液中，經(jīng)干燥后再置于馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)后的樣品用稀鹽酸溶液和去離子水洗滌，經(jīng)干燥后，即得到刻蝕處理后的碳載體；

(2)催化劑的制備：

首先將氯鉑酸加入乙二醇溶液中，得到混合液，然后加入檸檬酸鈉，再加入步驟(1)刻蝕處理后的碳載體，均勻分散后，調(diào)節(jié)溶液的pH值，然后置于密封的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)后靜置冷卻至室溫，再次調(diào)節(jié)pH后，經(jīng)超聲、過濾、干燥，得到基于刻蝕處理碳載體的鉑基催化劑。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述碳載體為炭黑、碳納米管、碳纖維、碳納米球、氧化石墨或石墨烯類的一種或多種。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述丙酮溶液體積與碳載體的體積比為2-5：1。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述硝酸和雙氧水的體積比為1-5:1；所述硝酸的濃度為5-20wt％，雙氧水的濃度為5-30wt％。