[發明專利]一種燃料電池/水電解池催化劑批量生產方法及應用

在審

• 申請號: 202211636931.1
• 申請日: 2022-12-14
• 公開（公告）號: CN116139855A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 張洪杰;邵志剛;郝金凱
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;H01M4/92;B01J23/46;B01J23/89;B01J35/00;B01J37/34;B01J37/00;B01J37/04;B01J37/08
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李馨

本發明公開了一種燃料電池/水電解池催化劑批量生產方法，包括以下步驟：將活性金屬靶材制備成金屬納米顆粒，之后使金屬納米顆粒中氣體分離得到金屬納米粒子；將碳材料放入攪拌容器，通過高能球磨法攪拌對活性碳進行活化處理，將金屬納米粒子加入到強化活性碳材料中，通過攪拌磨和行星磨將強化活性組分負載在強化活性碳材料上，得到催化劑。本發明采用全固相制備工藝，在制備過程中不使用有機溶劑、表面活性劑，省去洗滌和干燥步驟，不會造成污染，容易批量化生產，且降低了催化劑成本；同時利用特定的設備以及工藝參數的控制，可以順利在制備過程中實現顆粒物的尺寸可控，并且控制反應過程，進而可以實現連續化產線化。

技術領域

本發明涉及一種燃料電池/水電解池催化劑批量生產方法及應用，屬于電催化技術領域。

背景技術

傳統的化石能源面臨著枯竭以及環境污染問題，新能源的發展變得日益迫切。質子交換膜燃料電池/水電解池作為一種能量轉換裝置，可將燃料如氫氣、甲醇等中的化學能直接轉換成電能，具有能量密度高、效率高、環境友好等特點，是電動汽車的理想動力源，亦被視為未來便攜式電源及固定電站等領域的潛在電源，一直是研究和開發的熱點。

當前質子交換膜燃料電池/水電解池中的催化劑一直是膜電極國產化的卡脖子問題，催化劑的制備工藝繁雜，且很難大批量制備，此外，制備的國產化催化劑仍面臨性能低、穩定性差等缺陷。當前的Pt基催化劑的制備主要采用液相還原、浸漬還原等方法，涉及大量有機溶劑，工藝繁瑣且對環境有害，并且采用的還原劑如NaBH₄具有強烈的還原性，屬于危險品類，不適合大批量生產應用。此外，目前工藝使用的乙二醇等作為有機溶劑和還原劑，由于其本身粘度較大，不便清洗，使得催化劑無法實現批量化生產，同時會對環境造成破壞。

與此同時，在金屬鉑的基礎上又延伸了合金類的催化劑，但是制備工藝仍然采用溶劑熱法。在后來的研究中，逐漸出現了真空濺射等方式，但是此種方法繁瑣且需要昂貴的磁場控制設備，同時有機溶劑的使用也不利于催化劑的批量化生產。

綜上所述，目前很多催化劑的制備工藝都會涉及高分子表面活性劑或者溶劑等的使用，并且在后端也會用到包括強酸、強堿等原材料的使用，一方面制備成本高、污染大，制備步驟多繁雜，另一方面制備的催化劑表面難清洗干凈，催化劑性能低、壽命短。

發明內容

本發明的目的是提供一種燃料電池/水電解池催化劑批量生產方法及應用，旨在解決催化劑制備過程中涉及大量有機溶劑、高分子表面活性劑等造成的產量低、成本高、污染大、性能低等問題。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

本發明一方面提供一種催化劑批量生產方法，所述方法包括以下步驟：

A、在惰性氣體保護下將活性金屬靶材熔融，隨后置于離心式油霧收集器或者過濾式油霧收集器中并同時通入惰性氣體，冷卻后形成金屬納米顆粒，之后通過旋風分離器將金屬納米顆粒與惰性氣體分離，最終得到金屬納米粒子；

B、對碳材料進行球磨攪拌并通入活化氣體進行活化處理，得到強化活性碳材料；

C、將步驟A得到的金屬納米粒子加入到步驟B得到的強化活性碳材料中，通過行星攪拌器進行攪拌混合，使金屬納米粒子負載在強化活性碳材料上，得到負載物；

D、將步驟C得到的負載物在混合氣體氛圍中進行熱處理，形成表面富含活性組分的催化劑。

上述技術方案中，進一步地，所述碳材料為XC-72R、EC300、EC600、石墨烯、碳納米管中的一種；

所述活性金屬為Pt、Ir、Pd、Ru中的任意一種，或與非貴金屬Co、Cu、Fe、Mo、Mn中的一種或兩種組合。

上述技術方案中，進一步地，所述活性金屬與碳材料的質量比為0.25-4。