[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池的催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的催化剂的制备方法。 

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、比功率大、无电解液腐蚀、启动快速等优点，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景，已成为世界各国竞相研究的热点。为了获得高催化活性和降低燃料电池的成本，目前，PEMFC通常采用高分散的碳载铂或铂合金(Pt/C或PtM/C)作为催化剂。但是在PEMFC的工作过程中，Pt/C催化剂或PtM/C催化剂却存在着的由于碳载体腐蚀、金属颗粒团聚所导致的有效活性表面积逐渐降低的问题，这会导致燃料电池的性能衰减，甚至引起燃料电池的寿命终结。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有燃料电池催化剂存在碳载体腐蚀、金属颗粒团聚所导致的燃料电池催化剂性能衰减的问题，提供一种用于质子交换膜燃料电池的催化剂的制备方法。 

用于质子交换膜燃料电池的催化剂由载体和分散在载体表面的金属颗粒构成；其中载体由核和覆盖在核表面的壳组成，金属颗粒为金属单质、二元金属合金或三元金属合金，核为纳米碳黑材料，壳为介孔氧化物导电陶瓷。 

制备用于质子交换膜燃料电池的催化剂的方法按以下步骤实现：一、将0.5～1.5g表面活性剂溶于30～50mL的醇水混合溶剂中，超声处理0.5～1.5h，得混合溶液D；二、将0.05～0.15g纳米碳黑材料加入到混合溶液D中，超声处理0.5～3h，得混合溶液E；三、将0.16～0.32gNaOH或KOH加入到混合溶液E中，然后加入0～5g的氧化剂，而后在搅拌速率为100～2000r/min的条件下搅拌5～15min，然后缓慢加入0.15～0.6g可溶性金属盐并以100～2000r/min速度搅拌30min，得混合溶液F；四、将混合溶液F转移到高压反应 釜中，在温度为100～800℃条件下，热处理3～50h，得沉淀物X；五、将沉淀物X过滤，然后用无水乙醇和蒸馏水交替反复洗涤5～8次，而后在温度为70±2℃的条件下真空干燥10～48h，得催化剂载体；六、在搅拌速率为100～2000r/min的条件下，将催化剂载体加入到20～50mL醇水混合溶剂中，然后超声处理0.5～3h，得混合溶液G；七、在搅拌速率为100～2000r/min的条件下，将金属前驱体盐溶液、二元金属合金前驱体盐溶液或三元金属合金前驱体盐溶液加入到混合溶液G中，在惰性气体氛围下以60～140℃回流还原0.5～10h，得沉淀物Y；八、将沉淀物Y用去离子水洗涤至pH值为7，然后在温度为70±2℃的条件下真空干燥10h，即得用于质子交换膜燃料电池的催化剂；其中步骤一中醇水混合溶剂按醇与水的质量比为0.01～100：1混合，醇为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇或异丙醇；步骤三中氧化剂为过氧化氢或氯酸钾；步骤六中醇水混合溶剂按醇与水的质量比为0.01～100：1混合，醇为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇或异丙醇。 

本发明得到的用于质子交换膜燃料电池的催化剂通过在碳核表面覆盖具有良好耐腐蚀能力的介孔导电陶瓷不但抑制了载体的腐蚀，还锚定了金属颗粒、防止了团聚，提高了本发明的催化剂稳定性和使用寿命；本发明中采用介孔导电陶瓷覆盖在纳米碳黑材料上，不但改善了介孔导电陶瓷的分散性，也提高了介孔导电陶瓷的比表面积，致使本发明得到的用于质子交换膜燃料电池的催化剂的分散能力及活性面积被大大的提高，并且，由于介孔导电陶瓷对用于质子交换膜燃料电池的催化剂的活性有一定的促进作用，较大的载体表面积及其与金属颗粒的充分接触有利于进一步改善用于质子交换膜燃料电池的催化剂的活性；同时也维持载体具有良好的导电性。用本发明所得到的用于质子交换膜燃料电池的催化剂制备出的单电池性能稳定、电池连续工作100h性能良好、未出现明显下降；本发明工艺简单、产品易得。 

附图说明