[发明专利]一种蒙脱石负载铂催化剂的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种蒙脱石负载铂催化剂的制备方法。

二、背景技术

燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、室温快速启动等优点，被认为是未来电动汽车及其它民用场合最有希望的化学电源。然而，燃料电池居高不下的成本和使用寿命问题一直是困扰其发展的核心问题。而贵金属Pt的大量使用是燃料电池成本高昂的主要原因，为了降低成本，Pt以纳米级颗粒的形式高分散在碳载体上，以提高Pt的利用率从而减少Pt的使用量。但由于Pt与碳载体之间的电子结构差异性较大，只依靠弱相互作用黏附在一起，Pt纳米粒子很容易在载体表面迁移、团聚长大，致使催化剂表面积减小，活性降低，最终导致燃料电池使用寿命的缩短。此外，高比表面的碳在燃料电池工作环境下，尤其是空气正极，容易腐蚀，进而导致催化剂的流失。因此，在保证Pt催化剂的高活性和高利用率的前提下，提高燃料电池催化剂的稳定性具有重要意义。

为解决燃料电池使用寿命的问题，针对其催化剂的稳定性国内外科学界做了大量的研究。主要的方法有：(1)通过改善载体的稳定性或载体与催化中心Pt的结合力从而提高催化剂的稳定性，中国发明专利CN200710157375.9公开了“一种提高燃料电池催化剂稳定性的方法”，通过对碳载体进行高温处理使其部分发生石墨化，然后对石墨化的碳载体进行酸处理后将Pt负载在载体上。该方法通过石墨化处理提高了载体的稳定性，在一定程度上克服了由碳载体腐蚀而引起的催化剂流失问题。但是，Pt与碳载体之间的结合力差、Pt纳米粒子容易在载体表面迁移、团聚长大、表面积减小、催化活性降低的问题依然存在，因而采用上述方法所得催化剂的稳定性仍然较差；(2)通过采用在燃料电池工作体系中稳定性较好的载体替代碳载体，从而达到提高稳定性的目的，中国发明专利CN200410030766.0公开了“燃料电池中聚合物负载催化剂电极及其制备方法”，以同时具有电子和质子双重导电性及高稳定性的高分子聚苯胺代替传统的碳材料作为分散催化剂Pt的载体，在一定程度上提高了Pt的分散度和催化剂的利用率。但是，该方法制备的Pt纳米粒子分散在聚苯胺表面，仍然存在Pt纳米粒子在载体表面迁移、团聚长大、表面积减小、催化活性降低的问题，因此催化剂的稳定性仍然较差；(3)通过采用对催化中心进行合金化的方法提高催化剂在燃料电池运行中的稳定性，中国发明专利CN200810033522.6公开了“一种高稳定性碳载Pt-Au双金属纳米电催化剂制备方法”，该方法通过化学还原的方法将Au还原在Pt/C催化剂上，再通过热处理以形成合金。该方法提高了催化剂的热稳定性和对氧气还原的电催化活性，还显著增强了的电化学稳定性。但是，金的添加增加了额外的成本，并且催化中心与碳载体结合力较弱的问题依然存在，所以该方法制备的催化剂稳定性问题依然存在。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有燃料电池催化剂存在的稳定性较差的缺点，提供一种蒙脱石负载铂催化剂的制备方法。本发明首先通过离子交换方法将Pt阳离子交换到全氟磺酸树脂插层的蒙脱石层内部，然后通过化学还原方法将Pt阳离子还原成Pt纳米粒子，最后通过氢氟酸将蒙脱石刻蚀成多孔层状结构，并引入碳粉作为导电剂形成具有质子通道、电子通道和气体通道的燃料电池反应三相界面。本发明巧妙的利用蒙脱石层状结构特有的空间限域作用将Pt锚定在蒙脱石层内部，有效地降低了Pt纳米粒子的迁移和团聚，从而提高燃料电池催化剂的稳定性；另外，蒙脱石具有优异的质子传导能力，可以加速质子在燃料电池催化层内部的传递，提高燃料电池催化剂的催化活性。

本发明的目的是这样实现的：一种蒙脱石负载铂催化剂的制备方法，其具体方法步骤包括：

(1)有机阳离子改性蒙脱石的制备

按钠基蒙脱石∶十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1∶0.5称取钠基蒙脱石和十六烷基三甲基溴化铵；首先将钠基蒙脱石加入60℃的去离子水中，超声搅拌30分钟形成质量浓度为0.05g/ml的钠基蒙脱石悬浮液；然后在60℃超声搅拌条件下，将十六烷基三甲基溴化铵缓慢加入到上述钠基蒙脱石悬浮液中，60℃条件下超声搅拌20分钟，然后在100℃条件下加热回流24小时，冷却至60℃，最后经真空抽滤、去离子水洗涤、烘干以及研磨后得到有机阳离子改性蒙脱石。

(2)全氟磺酸树脂插层有机阳离子改性蒙脱石悬浮液的制备