[发明专利]一种质子交换膜燃料电池阴极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于用化学化工方法生产催化剂的技术领域和燃料电池领域，特别涉及到以铂为基础的质子交换膜燃料电池阴极催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)有独特的优越性，燃料来源丰富、价格低廉、能量密度高、环境友好之外，同时还具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长等突出特点。利用在电极上直接氧化转变成电能，同时因其能量密度高、运行温度低，特别适宜于用作可移动动力源，在手提电源、电动汽车和军、民通用等领域具有广阔的发展前景。PEMFC的关键材料之一是电极催化剂，其活性直接影响电池的性能。而贵金属铂在低温(＜80℃)运行条件下，亦具有优异的催化性能，所以目前PEMFC所用的电催化剂均以铂为主要成分。但由于铂资源有限，价格昂贵。而阴极的氧还原反应电催化剂多采用碳载铂。由于电催化剂大多数是用贵金属，成本高，因此对催化剂的要求是：贵金属的用量少并且具有较高的催化活性。将铂分散担载到载体上，主要有两类方法：化学法与物理法。至今广泛应用的Pt/C类催化剂主要以化学法制备，物理法正处在发展中。如文献采用电沉积方法，文献J.Wang and G.M.Swain，Fabrication and evaluation of platinum/diamond composite electrodes forelectrocatalysts：Preliminary studies of the oxygen-reduction reaction，J.Electrochem.Soc.，150(2003)E24-E32报道，在K₂PtCl₆液中电沉积出Pt，对氧气还原电流仅为单位面积上几十个微安，且该方法过程催化剂粒径太大。与此方法相比，文献K.Amine，M.Mizuhata，and K.Oguro，et al.Catalytic activity of platinum after exchange with surfaceactive functional groups of carbon blacks.J.Chem.Soc Faraday Trans，91(1995)4451，采用离子交换法将Pt[(NH₃)₄]^2-与碳载体中酸性功能团的H+进行交换，再洗涤过滤、干燥后在H₂气氛中还原，最后制备出纳米级高分散的Pt/C电催化剂。温度高，过程繁琐，工序复杂。

发明内容

本发明提出采用浸渍还原-醇溶剂法，碳纳米管负载Pt催化剂体系，通过调整前躯体的初始浓度、还原剂和前躯体的比例、还原剂和OH-的比例、醇溶剂比例、前躯体的加入方式以及降低还原温度等制备质子交换膜燃料电池高效的Pt/CNTs阴极催化剂，使Pt/CNTs催化剂金属粒子高度分散，并保持纳米尺度、大小均匀，不仅可以大幅度提高催化剂对氧气还原活性，而且制备过程的反应温度较低，操作简便。

本发明Pt/CNTs催化剂以碳纳米管为载体，其制备过程包括以下步骤：

1、将乙二醇和水按体积比为1∶2～2∶1混合配制成有机溶剂；将碳纳米管在500～800℃空气气氛中加热20～70分钟，然后按照每毫升有机溶剂加入0.5～1.5毫克碳纳米管的比例将碳纳米管置于有机溶剂中，超声波分散30～80分钟，形成碳浆；

2、将氯铂酸溶解到上述有机溶剂，按照每毫升有机溶剂含4～12毫克铂配制，超声波分散10～30分钟，形成混合均匀的氯铂酸溶液；

3、将上述氯铂酸溶液和碳浆按体积比为1∶5～1∶20量取，然后将氯铂酸溶液逐滴加入碳浆中，超声分散30～60分钟，形成混合悬浮液；

4、将氢氧化钠溶解到有机溶剂中，配制成浓度为0.5～2.5mol·L^-1的氢氧化钠溶液；

5、将配制的氢氧化钠溶液加到分散有碳纳米管的混合悬浮液中，调节pH为9～13；

6、将甲酸溶解到有机溶剂中，配制成浓度为0.2～0.8mol·L^-1的甲酸溶液；

7、在惰性气体保护下，于70～120℃温度范围，向调节pH值后的混合悬浮液中滴加上述甲酸溶液，恒温3-12小时，进行还原反应；

8、反应完毕后，过滤，用去离子水洗涤至滤液中不含氯离子，在60～120℃真空干燥，制得高度分散的纳米级Pt/CNTs催化剂。