[發(fā)明專利]一種電化學(xué)酸化協(xié)同電沉積制備氧還原催化劑的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310088381.2
• 申請日: 2023-02-09
• 公開（公告）號: CN115939429B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張琪;李平;徐宇;周立恒
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;B82Y30/00;B82Y40/00;C25D5/54;C25D3/50;C25D3/52;C25D21/12;C25D5/00;B22F9/24;B22F1/054
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11562
• 代理人: 李哲

本發(fā)明公開了一種電化學(xué)酸化協(xié)同電沉積制備氧還原催化劑的方法，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。所述制備方法的步驟包括：先對碳紙進(jìn)行電化學(xué)酸化處理，然后電沉積Pt，制得氧還原催化劑。本發(fā)明通過電化學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了對納米Pt顆粒晶型的納米尺度級調(diào)控，增加了催化劑、反應(yīng)物、電解質(zhì)之間的三相反應(yīng)區(qū)的活性位點，具體表現(xiàn)在制得的催化劑在長時間的耐久性測試過程中，表現(xiàn)出比商業(yè)催化劑更高的活性和壽命，這對燃料電池電極的發(fā)展具有重大意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電化學(xué)酸化協(xié)同電沉積制備氧還原催化劑的方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜料電池是利用氫能的一種高效、清潔的發(fā)電裝置，本身使用電化學(xué)反應(yīng)的方式將氫燃料髙效率地轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用，不用經(jīng)歷卡諾循環(huán)，得到各國能源部門、科研機(jī)構(gòu)等的持續(xù)關(guān)注，其當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在重型卡車、航天航空以及軍事領(lǐng)域。

但是當(dāng)前質(zhì)子交換膜燃料電池使用成本高昂，尤其是其中陰極催化劑因為活性較低，使用壽命較短，而導(dǎo)致生產(chǎn)成本很難下降。同時，受傳統(tǒng)商業(yè)鉑碳催化劑(Pt/C)使用的噴涂工藝限制，催化劑在涂布工藝過程中損失量大，鉑催化劑與基底層結(jié)合力不強(qiáng)。

此外，噴涂工藝在使用過程中，會添加一些粘結(jié)劑將催化劑負(fù)載到碳紙或者質(zhì)子交換膜上，這樣會導(dǎo)致催化劑活性面積減少，減少了氧氣與電解質(zhì)電催化劑的接觸面積，從而影響了催化劑表面的氧還原反應(yīng)，降低燃料電池的利用效率，影響電池性能。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)酸化協(xié)同電沉積制備氧還原催化劑的方法，通過選用具有自支撐結(jié)構(gòu)的碳紙作為催化劑載體，利用了一種電化學(xué)酸化技術(shù)首先對碳紙進(jìn)行表面氧化處理，使得碳紙表面富含羥基、羰基、羧基等含氧基團(tuán)，給下一步的沉積鉑顆粒提供了更多活性位點和引入雜原子。下一步，得益于上一步經(jīng)過電化學(xué)酸化處理后的碳紙的特殊性質(zhì)，其在下一步電沉積Pt的過程中，其電沉積的極化曲線，呈現(xiàn)沉積前期的大電流，這實現(xiàn)了可以有更多Pt納米粒子在碳紙表面形成非常小的納米顆粒核，促進(jìn)了Pt在載體上的分布均勻，納米尺度均一。最后，本發(fā)明在含Pt的電沉積溶液中，添加了適量的酸，導(dǎo)電鹽以及適當(dāng)?shù)姆稚﹨f(xié)同電沉積技術(shù)作用去控制電沉積Pt顆粒的特殊形貌。

本發(fā)明通過電化學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了對納米Pt顆粒晶型的納米尺度級調(diào)控，增加了催化劑、反應(yīng)物、電解質(zhì)之間的三相反應(yīng)區(qū)的活性位點，具體表現(xiàn)在制得的催化劑在長時間的耐久性測試過程中，表現(xiàn)出比商業(yè)催化劑更高的活性和壽命，這對燃料電池電極的發(fā)展具有重大意義。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明技術(shù)方案之一：提供一種電化學(xué)酸化協(xié)同電沉積制備氧還原催化劑的方法，包括以下步驟：

先對碳紙進(jìn)行電化學(xué)酸化處理，然后電沉積Pt，制得氧還原催化劑；

所述電化學(xué)酸化處理的電壓為1.6～2.0V，時間為300～900s；

所述電沉積Pt的電壓為-1.0～0V，時間為30～600s，所用的電沉積溶液中包含鉑鹽、導(dǎo)電鹽、酸和分散劑。

優(yōu)選地，所述碳紙為預(yù)處理的碳紙，所述預(yù)處理的具體過程包括：先用堿去除碳紙表面的油污和雜質(zhì)，再用酸中和碳紙表面的堿，最后用水清洗，烘干，完成預(yù)處理。

優(yōu)選地，所述電化學(xué)酸化處理的電解液為0.5～1mol/L的硫酸溶液。

優(yōu)選地，所述電化學(xué)酸化處理和所述電沉積Pt均在25℃下進(jìn)行。

優(yōu)選地，所述電沉積溶液中鉑鹽濃度為2～10mmol/L，導(dǎo)電鹽的濃度為0.1～1mol/L，酸的濃度為0.5～2mol/L，分散劑的濃度為10～60mmol/L。