[發(fā)明專(zhuān)利]石墨烯基催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010018609.7
• 申請(qǐng)日: 2020-01-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111082081B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瓦黑德·瑪茲那尼;王安閩;姚文東
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 深圳氫時(shí)代新能源科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/90;H01M4/92;H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 深圳中細(xì)軟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44528
• 代理人: 彭佳偉

本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種石墨烯基催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所述石墨烯基催化劑包括石墨烯基載體、聚吡咯間隔物和負(fù)載在所述石墨烯基載體上的活性催化劑顆粒，所述聚吡咯間隔物位于相鄰的兩層所述石墨烯基載體之間，所述聚吡咯間隔物定向排列，所述石墨烯基載體定向排列，所述聚吡咯間隔物定向排列的方向與所述石墨烯基載體定向排列的方向相同，所述石墨烯基載體與所述聚吡咯間隔物的質(zhì)量比為95：5～70：30，所述活性催化劑顆粒的質(zhì)量占所述催化劑的總質(zhì)量的5％～25％。通過(guò)施加電場(chǎng)制備上述催化劑。本發(fā)明制備的催化劑具有催化性能強(qiáng)、穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性強(qiáng)以及抗CO毒性強(qiáng)等優(yōu)良特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石墨烯基催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton ex-change membrane fuel cell，PEMFC或PEM燃料電池)屬于燃料電池的一種，因其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、重量輕、易組裝、可靠性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，得到科研工作者的廣泛關(guān)注，具有廣泛應(yīng)用到汽車(chē)領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、航天領(lǐng)域等的巨大潛力。

PEM燃料電池的單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，質(zhì)子交換膜(protonexchange membrane，PEM)位于陽(yáng)極和陰極的中間，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，在質(zhì)子交換膜和陰、陽(yáng)極之間均設(shè)有催化劑，催化劑能夠加速電極的電化學(xué)反應(yīng)。

膜電極組件(Membrane Electrode Assemblies，MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要結(jié)構(gòu)，其包括質(zhì)子交換膜、位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的氣體擴(kuò)散層、以及位于氣體擴(kuò)散層與質(zhì)子交換膜之間的陽(yáng)極催化劑層和陰極催化劑層，上述各層經(jīng)層壓制得膜電極組件。將膜電極組件與雙極板交替疊合構(gòu)成燃料電池電堆。

催化劑層的催化劑決定了PEM燃料電池的產(chǎn)能效率，現(xiàn)在已商用的催化劑為Pt/C催化劑，即Pt負(fù)載在C載體上，通常C載體為炭黑。現(xiàn)有的Pt/C催化劑在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，性能會(huì)出現(xiàn)大幅度的衰減，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)化長(zhǎng)壽命的要求，主要原因在于：Pt與C載體之間的作用力較弱，Pt為高度分散在C載體上的納米級(jí)顆粒，具有較高的比表面能和不穩(wěn)定性，易在C載體上發(fā)生遷移合并、團(tuán)聚長(zhǎng)大甚至脫附溶解的現(xiàn)象，導(dǎo)致Pt催化劑的不可逆轉(zhuǎn)的失效。選用更穩(wěn)定的載體是提高催化劑穩(wěn)定性的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種穩(wěn)定性更強(qiáng)的催化劑。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種石墨烯基催化劑，包括石墨烯基載體、聚吡咯間隔物和負(fù)載在所述石墨烯基載體上的活性催化劑顆粒，所述聚吡咯間隔物位于相鄰的兩層所述石墨烯基載體之間，所述聚吡咯間隔物定向排列，所述石墨烯基載體定向排列，所述聚吡咯間隔物定向排列的方向與所述石墨烯基載體定向排列的方向相同，所述石墨烯基載體與所述聚吡咯間隔物的質(zhì)量比為95：5～70：30，所述活性催化劑顆粒的質(zhì)量占所述石墨烯基催化劑的總質(zhì)量的5％～25％。

優(yōu)選地，所述石墨烯基載體選自石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯和摻氮石墨烯中的至少一種。

優(yōu)選地，所述活性催化劑顆粒選自鉑系貴金屬催化劑顆粒、鉑系貴金屬合金催化劑顆粒、過(guò)渡金屬催化劑顆粒和鉑系貴金屬-過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合催化劑顆粒中的至少一種。

優(yōu)選地，所述鉑系貴金屬選自釕、銠、鈀、鉑、鋨和銥中的至少一種；

所述過(guò)渡金屬選自鉻、鋯、鈷、鎳、銅、鐵和鉬中的至少一種。

本發(fā)明的目的之二是提供上述石墨烯基催化劑的制備方法，通過(guò)簡(jiǎn)單、易控、適合大規(guī)模生產(chǎn)的制備工藝得到穩(wěn)定性更強(qiáng)的催化劑。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種石墨烯基催化劑的制備方法，包括以下過(guò)程：