[發(fā)明專利]燃料電池用碳載體及其鉑基催化劑的制備和應(yīng)用

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• 申請日: 2023-06-22
• 公開（公告）號: CN116598515A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐琪雯;喬紅艷;周衛(wèi)江;石艷紅;陳首先;舒正龍;王云;陳啟章
• 申請（專利權(quán)）人: 中自環(huán)保科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;H01M8/1004
• 代理公司: 成都市輔君專利代理有限公司 51120
• 代理人: 張堰黎

本發(fā)明公開了一種燃料電池用碳載體及其鉑基催化劑的制備和應(yīng)用。碳載體的制備包括：將碳材料、溶劑和含有磺酸基團(tuán)的離聚物溶液混合，分散后將溶劑除去，再經(jīng)120～250℃的干燥處理，得到離聚物修飾的碳載體；鉑基催化劑的制備包括：將鉑或鉑與其他過渡金屬的前驅(qū)體擔(dān)載于離聚物修飾的碳載體表面，再經(jīng)氣相還原和熱處理后得到鉑基催化劑。本發(fā)明方法在碳載體表面引入均勻分布的離聚物，一方面防止鉑顆粒進(jìn)入碳載體的微孔，另一方面磺酸基團(tuán)可促進(jìn)鉑基納米顆粒在載體表面的均勻分布，從而提升鉑的利用率；經(jīng)高溫?zé)崽幚碓诖呋瘎┍砻嫘纬墒杷畬樱苊饣撬峄鶊F(tuán)在鉑基納米粒子表面的吸附和覆蓋，有助于提高鉑的利用率、催化劑的活性和膜電極的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池制備技術(shù)和新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的制備方法，具體涉及一種燃料電池用碳載體及其負(fù)載的高效率鉑基催化劑的制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)化效率高及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年來在交通等領(lǐng)域得到了大力的推廣和示范應(yīng)用。然而高昂的成本仍然是質(zhì)子交換膜燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的瓶頸。據(jù)測算，在年產(chǎn)50萬臺(tái)套燃料電池堆的情況下，鉑基催化劑成本將占到電堆成本的42％。因此，提高鉑基催化劑利用率，降低鉑用量以促進(jìn)燃料電池的批量化應(yīng)用迫在眉睫。

為了制備高鉑含量的催化劑，往往使用高比表面積炭黑作為載體，比如田中貴金屬的TEC10E系列催化劑和優(yōu)美科的Elyst鉑系列催化劑。由于高比表面積炭黑具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，在催化劑制備過程中通常會(huì)有大量的鉑顆粒進(jìn)入碳載體的孔道內(nèi)，不僅造成鉑利用率的下降，同時(shí)還會(huì)影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸，造成大電流密度區(qū)性能的下降。而在傳統(tǒng)的燃料電池催化層中，一般會(huì)添加以NafionTM為代表的全氟磺酸離聚物用以傳導(dǎo)催化層中的質(zhì)子，然而離聚物往往會(huì)覆蓋在鉑基納米顆粒表面，從而與氧氣等反應(yīng)物形成競爭吸附，降低鉑的利用率。因此，通過減少碳載體孔隙內(nèi)的鉑基納米顆粒，降低離聚物對鉑基納米顆粒表面的覆蓋度來提高鉑基催化劑的利用率具有重要意義。

專利CN110739475A公開了一種具有超低氧氣傳質(zhì)阻力的膜電極，通過濃硫酸處理從而實(shí)現(xiàn)負(fù)電荷修飾的碳載體來優(yōu)化離聚物的分布，降低氧氣傳質(zhì)阻力的目的。該方法工藝復(fù)雜，且經(jīng)濃硫酸處理的催化劑往往親水性過強(qiáng)，催化層易出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象，從而造成大電流密度區(qū)性能的急劇下降。

專利CN103120960B公開了一種Pt-Nafion/C催化劑及其制備和應(yīng)用，采用離子交換法制備的Pt-Nafion/C催化劑，具有催化活性高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但離子交換容量有限，往往只能制備超低鉑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10wt％)的催化劑，在燃料電池中的實(shí)用性較差。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開了一種燃料電池用碳載體及其鉑基催化劑的制備和應(yīng)用。

本發(fā)明采用以下具體方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明首先公開了燃料電池用碳載體的制備方法，包括：將碳材料、溶劑和含有磺酸基團(tuán)的離聚物溶液混合，分散均勻后形成漿料，將制成的漿料中的溶劑除去，再經(jīng)120～250℃的干燥處理，得到離聚物修飾的碳載體。

包括以下步驟：

S1、將碳材料預(yù)先在水性溶劑中分散均勻，再加入含有磺酸基團(tuán)的離聚物溶液，分散均勻后形成漿料；離聚物與碳材料的質(zhì)量比為1：2～20；

S2、將碳漿料過濾并充分洗滌，再經(jīng)120～250℃的干燥處理，經(jīng)研磨后得到表面均勻分布含有磺酸根基團(tuán)的離聚物修飾的碳載體。

所述碳材料的比表面積為300～2000平方米/克，包括碳黑、介孔碳、碳纖維、碳納米管、石墨烯中的一種或數(shù)種的混合物。

所述離聚物為全氟磺酸樹脂、改性全氟磺酸樹脂、增強(qiáng)型全氟磺酸樹脂中的任意一種，離子交換當(dāng)量(EW)為500～1300克/摩爾。