[發明專利]一種核殼催化劑后處理方法和系統

在審

• 申請號: 202010762267.X
• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN114068966A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 邵敏華;武希文
• 申請（專利權）人: 廣州市香港科大霍英東研究院;香港科技大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 歐陽銳

本發明提供一種核殼催化劑后處理方法和系統，涉及燃料電池材料領域。本發明的后處理方法，包括以下步驟：將核殼催化劑加入至含有檸檬酸或乙二胺四乙酸的電解質溶液中，向電解質溶液中通入含有氧氣的氣體，攪拌反應預定時間，反應期間記錄開路電位，反應完成時開路電位穩定在0.90～1.0V vs.RHE；所述檸檬酸或乙二胺四乙酸與核殼催化劑中的鉑的摩爾比為10～1000：1；所述含有氧氣的氣體中氧氣的體積百分數為10～100％。本發明的后處理方法，可顯著提升核殼催化劑的鉑質量活性和PGM質量，以及催化劑的耐久性。

技術領域

本發明涉及燃料電池材料領域，特別是涉及一種核殼催化劑后處理方法和系統。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種以小分子燃料(例如氫氣、甲醇等)和氧氣為反應物，在膜電極內發生電化學反應以進行發電的供能裝置。現時對車用燃料電池的研發大多聚焦在以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池，因為與其他燃料相比其具有更高的能量密度、更簡單的反應機理和快速的反應動力學。以下對以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池(PEMFC)，簡稱為燃料電池。燃料電池中的陰極電化學反應(氧還原反應)動力學緩慢，需要大量催化劑以實現裝置實用性。現時已商品產業化的燃料電池大多以碳載納米鉑作為電池的催化劑，因鉑金屬為最能夠有效催化氧還原反應的元素，同時相較于其他金屬，鉑具有較好的抗氧化耐腐蝕性。因此以碳載納米鉑作為催化劑，可使燃料電池得以輸出較大的功率密度和實現較長時間的使用壽命。但鉑是貴金屬，來源稀少且價格昂貴，以納米顆粒的形式雖可提高鉑催化劑的利用率，但隨著在氧化性的工作環境下運行，鉑納米顆粒將逐漸團聚而使得燃料電池功率輸出性能不可逆得衰減。

如何在降低燃料電池膜電極鉑載量，并且保持電池輸出功率密度和延長使用壽命，是現今燃料電池領域的主要研究課題。從催化劑本身著手，鉑合金、核殼結構、單原子等新型催化劑相繼問世，大幅提升了催化劑中單位質量鉑的催化活性，為實現高性能低鉑膜電極的大規模產業化向前邁進了關鍵一步。核殼結構催化劑是一種以非鉑的金屬(例如鈀)或化合物(例如氮化鈦)作為內核，單層或數層原子厚度的鉑作為外殼的催化劑，此特殊結構可大幅提升鉑原子的利用率，且內核材料對外殼鉑原子造成的電子、拉伸作用可提高鉑殼的ORR催化活性。內核材料對鉑殼的陰極保護，亦可減少鉑殼腐蝕溶解而抑制催化劑顆粒團聚，延長電池壽命。

核殼催化劑制備關鍵在于精確控制外殼的生長，殼層厚度和包覆均勻性將直接影響催化劑活性和耐久性。鉑單原子層催化劑的制備方法最早是由美國BrookhavenNational Laboratory的Adzic團隊所提出，其中涉及在核材料納米顆粒(例如鈀、釕、銠、金等)表面以欠電位沉積法(UPD)生長單原子層模板(例如鉛、氫、銅)，再引入鉑離子使其與模板發生表面氧化還原置換反應(SLRR)，形成鉑單原子殼層。在上述反應步驟的基礎上，許多提升核殼催化劑性能及放大批量制備的方法被相繼提出，其中以鈀或鈀合金(例如鈀鈷、鈀鎳)作為核心能夠有效提高鉑單原子層的催化活性，但鈀同樣為鉑族金屬(PGM)來源稀少且價格昂貴。以化學法或是電化學法對核殼催化劑進行后處理，可溶解部分鈀核及修補鉑殼缺陷，實現有效降低核殼催化劑中的鈀用量。溶解出的鈀離子可回收提純再利用，達到進一步降低催化劑成本的目的。