[發明專利]一種高效低鉑膜電極上催化劑層的制備方法

在審

• 申請號: 202010897245.4
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111969216A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 劉征;喬紅艷;陳孟杰;舒正龍;陳啟章
• 申請（專利權）人: 中自環保科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/92
• 代理公司: 四川力久律師事務所 51221
• 代理人: 陳明龍

本發明涉及新能源材料與在燃料電池汽車的應用領域，特別涉及一種高效低鉑膜電極上催化劑層的制備方法。所述催化劑層包括核殼納米貴金屬合金催化劑和表面功能化的導電碳黑，所述表面功能化的導電碳黑與所述核殼納米貴金屬合金催化劑的質量比為0.01?1％，所述核殼納米貴金屬合金催化劑為聚酰胺?胺樹形分子包裹的核殼納米貴金屬合金催化劑。與現有技術相比，本發明的催化劑層以結構可控的、高效的核殼Pt合金納米電催化劑作為催化劑層活性組分，通過與之共價交聯的導電納米碳粒子，制備出高效、低含量的鉑催化膜電極。

技術領域

本發明涉及新能源材料及在燃料電池汽車的應用領域，特別涉及一種高效低鉑膜電極上催化劑層的制備方法。

背景技術

燃料電池是一種不經過燃燒過程直接將化學能轉化為電能的發電裝置，電化學反應發生在兩邊的電極上，涂覆在電極上電催化劑被用來促進發生在陽極的燃料的電化學氧化反應和發生在陰極的氧的還原反應。在眾多的燃料電池中，質子交換膜(PEM)燃料電池(Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell，PEMFC)由于其高功率密度、啟動速度快，操作溫度低，以及環境友好等特性，最近受到了市場廣泛關注。它的能量密度高、啟動速度快、低溫穩定運行、操作溫度低以及環境友好等特點，決定了它非常適合作為電動汽車動力源、便攜式小型電源以及水下動力系統電源等。因此，自上世紀九十年代以來，受到各國政府和能源、汽車、家電和軍工等各方面的廣泛關注，技術發展迅速。

膜電極組件(MEA)是質子交換膜燃料電池的主要零部件，它包括五層結構，中心層是質子交換膜，在其兩側是兩層被膜分離的催化劑層，構成陰、陽兩極的催化膜電極，在燃料電池化學能轉化為電能的過程中，催化膜電極起著至關重要的作用；催化膜電極外還有兩個氣體擴散層，主要用于傳輸反應物(燃料、空氣)至膜電極并移出產物-水。

目前商用的膜電極組件中，催化劑層多采用傳統的貴金屬(PGM)Pt/C電催化劑制成，但貴金屬在地球上儲量有限，價格昂貴，在燃料電池中利用率低，阻礙了質子交換膜燃料電池的商業化進程。過去幾十年里，眾多的研究人員一直在致力于具有高效、低貴金屬(PGM)、高耐久性的新一代膜電極組件和催化膜電極的研究。最近幾年，具有核殼結構貴金屬納米合金催化劑的研究引起了燃料電池催化劑市場的廣泛關注，由于其具有高的電化學活性和耐久性，此類電催化劑被普遍認為是最有發展前景的燃料電池催化劑。納米雙金屬Pt合金近表面結構與組成的工程化設計有利于提高電催化劑電化學活性和金屬Pt有效利用率，為制備核殼結構的Pt合金催化劑層提供了一種有效的技術途徑，具有潛在工業應用價值。

基于這一目的，本發明通過一種新的結構可控的核殼金屬合金催化劑合成技術，提供一種高效低鉑質子交換膜電極上催化劑層的制備方法，旨在改善燃料電池關鍵零部件-催化膜電極組件(MEA)性能，降低成本，為催化膜電極(CCM)及其催化劑層(CL)的制備，提供一個新的工藝技術路線。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中所存在的膜電極組件中催化劑層貴金屬消耗量大、利用率低的不足，提供一種高效低鉑膜電極上催化劑層的制備方法。

為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：

一種膜電極催化劑層，包括表面功能化的導電碳黑和組分A；所述表面功能化的導電碳黑與所述組分A的質量比為0.01-1％；所述組分A包括聚酰胺-胺樹形分子、內核金屬部和外殼金屬部；所述內核金屬部和外殼金屬部構成核殼結構合金組，所述核殼結構合金組包裹在所述聚酰胺-胺樹形分子中。

本發明中，通過聚酰胺-胺樹形分子作為模板劑和穩定劑，制得結構及粒徑可控的具有核殼結構的納米貴金屬合金催化劑，表面功能化的導電碳黑通過共價交聯能更有效的與催化劑結合，進一步提升了貴金屬在催化劑層的利用率。

作為本發明的優選方案，所述核殼結構合金的內核金屬部包覆在所述外殼金屬部內，所述內核金屬部為過渡金屬核或合金核，所述外殼金屬部為金屬Pt殼，所述合金核中的合金由貴金屬和過渡金屬組成。