[發明專利]一種離子液體修飾的氧還原反應催化劑及制備方法

在審

• 申請號: 202010893816.7
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111957344A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 張鎖江;陳慶軍;喬越洋;薛曉藝;劉艷俠
• 申請（專利權）人: 鄭州中科新興產業技術研究院;中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: B01J31/02
• 分類號: B01J31/02;B01J35/00;H01M4/92
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發明提供了一種離子液體修飾的氧還原反應催化劑及制備方法，包括如下步驟：1）、將60%商業Pt/C與去離子水混合，超聲均勻得到混合物A；2）、將異丙醇與疏水性離子液體混合，超聲均勻得到混合物B；3）、將混合物A和混合物B，超聲均勻，將所得均勻混合物進行旋轉蒸發干燥，得到離子液體修飾的氧還原反應催化劑。本發明利用離子液體修飾60%商業Pt/C催化劑，方法簡單，離子液體有效的包覆60%商業Pt/C催化劑表面，且該催化劑在酸性條件下氧還原反應性能顯著提升。

技術領域

本發明涉及電化學技術領域，具體涉及一種離子液體修飾的氧還原反應催化劑及制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有功率密度高、比能量高、環境友好、無排放、電池壽命長等優點，是電動汽車、固定式和便攜式設備的理想電源。質子交換膜燃料電池的陰極氧還原反應是電極反應的速率控制步驟，目前質子交換膜燃料電池電極催化劑高度依賴于鉑（Pt）基材料的催化作用。Pt基催化劑雖然具有最佳的綜合催化性能，但Pt的高成本、稀缺性和低耐久性限制了它們的大規模應用。離子液體（ILs）作為一種較低成本的綠色能源轉化反應介質，與目前商業化的Pt相比，已引起人們的廣泛關注。

離子液體是一種在室溫或接近室溫下呈現液態的、完全由陰陽離子所組成的鹽。離子液體具有難揮發、結構可調、親憎水性可調，氧氣溶解度大、質子傳遞速率大（質子型離子液體）等優點，是燃料電池催化劑優良的改性劑之一。B.J.M. Etzold等人（G.-R. Zhang,M. Munoz, B.J.M. Etzold, et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55: 2257-2261.）報告了通過使用疏水性離子液體來加速ORR動力學過程，保護Pt位點表面氧化，催化劑的質量活性提高了三倍。同時，離子液體可以在鉑催化劑表面形成一層膜，防止鉑的燒結，進而提高鉑的穩定性。J. Erlebacher和同事們（Joshua, K. Livi, J. Erlebacher. Adv.Funct. Mater. 2013, 25: 5394-5501.）闡明了離子液體包裹的碳負載Ni/Pt納米多孔催化劑，在IL中的高O₂溶解度，加上催化劑孔內的受限環境，改善了ORR動力學，提高了催化劑的穩定性。質子型離子液體還可以實現非水條件下的質子傳遞，從而形成非增濕型氫燃料電池（S.-Y. Lee, A. Ogawa, M. Kanno, et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132,9764-9773.）。因此，離子液體修飾已經成為提高催化劑活性、降低鉑使用量的重要方法之一。

質子交換膜燃料電池的成本與壽命限制其商業化的推廣，而其成本與壽命主要取決于陰極陰極催化劑稀缺貴金屬鉑的用量以及以及氧還原反應的高效穩定進行。氧還原反應具有，因此對電池性能構成障礙。使用離子液體作為ORR改性劑可改善陰極ORR相對緩慢的化學動力學，但仍有待開發另外離子液體對其進行改進。

發明內容

本發明提出了一種離子液體修飾的氧還原反應催化劑及制備方法，采用兩種疏水性離子液體，質子型[C₂im][NTf₂]和非質子型[C₄C₁im][NTf₂]以不同離子液體添加量、不同溶劑比，不同蒸發溫度修飾60%Pt/C催化劑,提升氧還原反應催化劑性能。離子液體有效的包覆于60%商業Pt/C表面，且該催化劑在酸性條件下氧還原反應性能顯著提升。

實現本發明的技術方案是：

離子液體修飾的氧還原反應催化劑的制備方法，包括如下步驟：

1）、將60%商業Pt/C與去離子水混合，超聲均勻得到混合物A；

2）、將異丙醇與疏水性離子液體混合，超聲均勻得到混合物B；

3）、將混合物A和混合物B，超聲均勻，將所得均勻混合物進行旋轉蒸發干燥，得到離子液體修飾的氧還原反應催化劑。