[發明專利]一種燃料電池催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110014101.4
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112838225A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 楊澤惠;張權;羅芳
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明提供了一種燃料電池催化劑及其制備方法和應用，本發明的燃料電池催化劑的制備方法，包括以下步驟：S1、將氯鉑酸和過渡金屬鹽以及胺類化合物溶于溶劑中，得到混合溶液；S2、將混合溶液蒸干后，研磨，得到前驅體粉末；S3、將前驅體粉末置于高溫爐中中煅燒，洗滌至中性，干燥，即得燃料電池催化劑。本申請通過簡單的一步法制備得到氮摻雜碳納米管包覆的Pt?M合金催化劑，Pt?M合金納米粒子被氮摻雜的碳納米管很好的保護起來，防止了納米粒子的團聚和外界的侵蝕；氮摻雜碳納米管結構能提高催化劑電子傳輸速率，加快反應的進行，形成的中空管結構也提高了催化劑比表面積，暴露更多的活性位點，大大提升了催化劑的催化性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種燃料電池催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，隨著化石能源的大量開采利用，造成化石能源日益枯竭，并且帶來環境污染等問題。發展清潔能源能夠有效的緩解環境污染和能源危機問題。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)由于其采用氫氣和氧氣為燃料，其最終產物為水。并且氫氣和氧氣能夠通過電解水產生，形成水循環能源。PEMFCs具有高能源轉化效率、零排放、快速啟動等特點受到廣泛的關注，也成為發展最后迅速的新能源之一。然而，用于實際應用的質子交換膜燃料電池的商業化仍受到其電極催化劑的高成本和低穩定性的限制。

催化劑是PEMFCs的核心組成部分，目前來說，質子交換膜燃料電池目前40％以上的成本來自于燃料電池電堆的鉑催化劑。碳載鉑催化劑(Pt/C)是質子交換膜燃料電池中最廣泛使用的陽極和陰極催化劑。在各種類型的載體材料中，炭黑(VulcanXC-72)由于其高導電性和高比表面積而被廣泛用于質子交換膜燃料電池中，但是在實際燃料電池加濕、高電壓條件下運行，炭黑會受到碳腐蝕，導致鉑納米粒子的損失；同時，由于鉑納米粒子和碳載體之間的弱相互作用導致鉑的遷移和聚集使鉑納米粒子活性位點的損失，導致長期操作后催化活性的不可避免損失。替代碳黑載體的碳納米管和石墨烯材料，已經被廣泛研究，由于高度石墨化的結構，其表現出更高的抗碳腐蝕能力，但是鉑納米粒子還是暴露在外面，導致鉑的團聚，使催化劑活性衰減較大。催化劑決定了燃料電池裝置的壽命和成本，由于鉑價格較高、儲量有限，大大限制了其廣泛的應用。

基于目前質子交換膜燃料電池所用的催化劑存在的技術缺陷，有必要對此進行改進。

發明內容

有鑒于此，本發明提出了一種燃料電池催化劑及其制備方法和應用，以解決現有技術中現有的催化劑存在的技術缺陷。

第一方面，本發明提供了一種燃料電池催化劑的制備方法，包括以下步驟：

S1、將氯鉑酸和過渡金屬鹽以及胺類化合物溶于溶劑中，分散均勻后，得到混合溶液；

S2、將混合溶液蒸干后，研磨，得到前驅體粉末；

S3、將前驅體粉末置于高溫爐中于惰性氣體中煅燒，再將煅燒后的產品洗滌至中性，干燥，即得燃料電池催化劑；

其中，所述胺類化合物包括雙氰胺、三聚氰胺、尿素中的一種。

可選的，所述的燃料電池催化劑的制備方法，S3中煅燒具體為：以1～10℃/min速率升溫至300～500℃煅燒1～3h，再以1～10℃/min速率升溫至600～1000℃煅燒1～6h。

可選的，所述的燃料電池催化劑的制備方法，S1中所述過渡金屬鹽包括鎳鹽、鐵鹽、鈷鹽中的一種。

可選的，所述的燃料電池催化劑的制備方法，所述鎳鹽包括硝酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳、硫酸鎳中的一種；所述鐵鹽包括硝酸鐵、氯化鐵、醋酸鐵、硫酸鐵中的一種；所述鈷鹽包括硝酸鈷、氯化鈷、醋酸鈷、硫酸鈷中的一種。

可選的，所述的燃料電池催化劑的制備方法，S1中所述溶劑包括水、甲醇和乙醇中的一種和幾種。