[發明專利]一種固體高分子型燃料電池用催化劑及其制造方法

有效

• 申請號: 202011059486.8
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112186199B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 鄧翔;裴曉東;陳杰;駱艷華
• 申請（專利權）人: 中鋼集團南京新材料研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/92;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 郭大美

本發明公開了一種固體高分子型燃料電池用催化劑及其制造方法，屬于燃料電池催化劑技術領域。催化劑包括高比表面的載體和負載在載體上的含鉑金屬納米顆粒，所述載體的表面含氧官能團量為3～10wt％，所述含氧官能團包括羥基、羧基、羰基、硝基中的一種或多種，所述載體為碳載體，所述碳載體為還原氧化石墨烯、短碳納米管、爐黑或科琴黑，所述碳載體的比表面為200～1000m²/g；制備方法為采用液相團簇生成?聚合?擔載三步法制備工藝，該合成方法批次穩定性高，所得催化劑作為燃料電池陰極應用時，表現出了高電化學活性和穩定性。

技術領域

本發明屬于燃料電池催化劑技術領域，更具體地說，涉及一種固體高分子型燃料電池用催化劑及其制造方法。

背景技術

固體高分子型燃料電池，亦稱質子交換膜燃料電池(PEMFC)的發展瓶頸目前在于需要大幅降低其成本。其中一個重要的途徑就是降低燃料電池中催化層內部所需使用的貴金屬用量，而為了達到該目的，需要有效的提高電催化劑每單位鉑金屬的催化活性，因此面向燃料電池的高性能電催化劑具有巨大的市場需求。然而，由于電催化劑合成屬于新興納米技術，其作為一種精細化工產品，工藝路線復雜且生產設備精度要求高，產品品控難度大，高品質電催化劑產品的價格仍居高不下。

為了提高電催化劑的品質，目前在大批量制備工藝上的幾個難點在于：1、在碳載體負載鉑及其合金納米晶的過程中，需要有效防止或抑制納米晶之間相互堆疊造成的團聚和顆粒粗化。2、需要提高碳載體與納米金屬顆粒組分之間的結合力，從而抑制催化劑在使用過程中發生的納米催化劑燒結，剝離以及碳載體腐蝕等過程，從而提高電池的使用壽命。3、需要盡可能的減少催化劑產品在制備過程中攜帶的雜質，保持鉑催化劑表面潔凈，從而提高其本征活性。

經檢索，中國專利申請號為201410657388.2，申請公開日為2016年8月24日的專利申請文件公開了一種鉑/樹脂碳催化劑的制備方法及其應用。該專利方案使用了價格較為昂貴的堿性離子交換樹脂作為碳源，制備出富含孔道的碳載體，實現了抑制鉑納米級團聚的效果，但是其工藝方法較為復雜，生產成本高而且使用碳基底內部的孔道做為一種物理性的空間位阻，碳載體與納米金屬顆粒組分直接的結合力較弱。

日本田中貴金屬公司于2019年12月3日公開的專利CN201880025602.9中，采用了鉑源與碳載體液相混合，然后還原性氛圍下高溫熱退火的過程，制備鉑碳催化劑，采用這種方案的鉑催化劑表面雜質可以被高溫處理除去，催化劑活性高，但是由于碳基底未經過處理，鉑納米顆粒與碳載體間的結合力很弱，而且采用高溫制備過程不可避免會導致鉑納米顆粒一定程度上的團聚和燒結。

中國專利申請號為202010000499.1，申請公開日為2020年4月10日的專利申請文件公開了一種燃料電池電催化劑及其制備方法。該專利的催化劑由特殊設計的具有氧催化還原活性的高比表面碳基底和負載在其上的貴金屬合金催化劑納米顆粒復合而成，負載其上的貴金屬催化劑納米顆粒為主活性位，作為載體的碳基底表面含有大量官能團，其中包含了過渡金屬Co，Fe與氮進行配位為第二活性位。但是，該方法制備碳載體的工藝較為復雜，需要反復焙燒；而且該專利得到的催化劑質量比活性低于0.2Amg_Pt^-1。

綜上所述，市場上亟需開發一種固體高分子型燃料電池用催化劑及其制造方法。

發明內容

1.要解決的問題

本發明提供固體高分子型燃料電池用催化劑，其目的是為了得到一種催化性能高的催化劑。本發明還提供了上述固體高分子型燃料電池用催化劑的制備方法。

2.技術方案

為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：

一種固體高分子型燃料電池用催化劑，包括高比表面的載體和負載在載體上的含鉑金屬納米顆粒，所述載體的表面含氧官能團量為3～10wt％。