[發明專利]一種鉑稀土燃料電池催化劑及其制備方法與燃料電池

在審

• 申請號: 202210915920.0
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115101758A
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 陳慶軍;錢方仁;彭立山;胡承思;張家瑋
• 申請（專利權）人: 中國科學院贛江創新研究院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;C22C1/02;B22D11/06
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 劉二艷

本發明提供了一種鉑稀土燃料電池催化劑及其制備方法與燃料電池，所述制備方法包括：混合鉑、稀土金屬與基底金屬，依次進行熔煉、甩帶與脫合金，得到鉑稀土燃料電池催化劑。本發明中通過將鉑、稀土金屬和基底金屬混合后依次進行熔煉、甩帶和脫合金來制備鉑稀土燃料電池催化劑，降低了貴金屬鉑的用量，配合甩帶工藝，提升了含有鉑和稀土金屬的催化劑的催化性能和穩定性；采用的鉑、基底金屬與稀土金屬的來源廣泛，所述制備方法的工藝簡單，容易控制，有利于鉑稀土燃料電池催化劑的實現規模化生產。

技術領域

本發明屬于燃料電池材料技術領域，涉及一種鉑稀土燃料電池催化劑的制備方法，尤其涉及一種鉑稀土燃料電池催化劑及其制備方法與燃料電池。

背景技術

質子交換膜燃料電池(簡稱氫燃料電池或燃料電池)是氫能與燃料電池產業鏈的核心。電極催化劑是氫燃料電池最關鍵的組成部分之一。氫燃料電池電極催化劑主要是昂貴的鉑(Pt)，其成本占到燃料電池電堆的40％以上(以年產50萬套估算)。開發高性能低鉑催化劑對于氫燃料電池成本的降低和大規模應用具有重要意義。

氫燃料電池的電極催化劑包括陽極氫氧化(HOR)催化劑和陰極氧還原(ORR)催化劑。其中，陰極ORR是電極反應的速率控制步驟，陰極ORR催化劑的鉑用量占總鉑用量的80％以上，開發低鉑陰極催化劑是降低燃料電池成本的關鍵。鉑與稀土金屬合金化可以顯著提升陰極催化劑的活性，是降低鉑用量的重要方法。與此同時，稀土金屬作為燃料電池中自由基的猝滅劑，能夠有效的消除電催化過程中產生的具有強氧化性的自由基，從而提升催化劑的循環穩定性。因此，鉑稀土合金催化劑的開發利用是一種有效降低鉑含量和提高催化性能的重要方法。

雖然鉑-稀土合金在活性和對質子交換膜保護上具有很多優勢，但設計制備與可控合成是其存在的最大問題。由于鉑與稀土元素的電化學還原電位差距較大，同時稀土元素非常易于氧化，常規化學還原法制備Pt-稀土合金非常困難，得到的更多是鉑-稀土合金/氧化物混合相。雖然研究人員采用固態化學還原法(如：含氮前驅體聚合-生成多孔稀土氨基腈-氫氣還原等)制得了鉑-稀土合金，但這種方法制得的催化劑仍存在內部不穩定的缺陷，導致合金的電化學氧還原穩定性遠未達到預期。物理法目前是制備鉑-稀土合金的重要手段，包括磁控濺射法與硬模板輔助的物理熔煉法等。磁控濺射法制備的鉑-稀土合金活性高、穩定性好，但制備條件苛刻，不容易放大。

CN109802148A公開了一種車載燃料電池用負載型鉑稀土金屬陰極催化劑的制備方法，包括以下步驟：(1)取乙二醇、碳載體、氯鉑酸的乙二醇溶液、稀土金屬鹽的乙二醇溶液混合均勻，調節pH至10～13，得到混合溶液；(2)稱取硼氫化鈉溶于乙二醇中，超聲分散至無氣泡產生，再逐滴加入步驟(1)制備的混合溶液中，升溫反應；(3)反應結束后，調整反應后的溶液的pH至1～4，攪拌過夜，真空抽濾，干燥，即得到目的產物。

CN1258828C公開了屬于燃料電池材料制備技術范圍，采用水熱法的一種質子交換膜燃料電池用多元催化劑的制備方法。其制備是將載體、一種或兩種貴金屬化合物、一種或兩鐘稀土金屬氧化物、去離子水加到密閉容器內，在惰性氣氛中，110～300℃，壓力0.3～4Mpa下反應1～24小時，冷卻后加入還原劑，在100～200℃下，還原1～10小時，然后洗滌、過濾、干燥得到多元催化劑。

CN107994237A公開了一種燃料電池用多金屬催化劑及其制備方法，該催化劑包括活性組分和載體，其中活性組分由Pt與過渡金屬、稀土金屬按摩爾比1:(2～8):(2～5)組成，所述的載體為導電碳、蛭石按質量比100:10～20的混合物，所述的Pt在載體上負載量為10～20wt％。

目前公開的鉑稀土燃料電池催化劑的制備方法都有一定的缺陷，存在著制備成本較高、內部結構不穩定、催化活性較差、制備條件苛刻且難以放大的問題。因此，開發設計一種新型的鉑稀土燃料電池催化劑及其制備方法與燃料電池至關重要。

發明內容