[发明专利]一种Pt-Nafion/C催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池氧还原催化剂，还涉及上述催化剂的制备和应用。

背景技术

随着煤炭、石油和天然气等燃料的消耗量与日剧增及能源资源的储量日益枯竭，寻找环境友好可持续发展的能源技术迫在眉睫。燃料电池因其具有能量转化效率高、无污染、无噪音等优点，已成为世界各国研究的焦点。质子交换膜燃料电池除了具有其他燃料电池的一般特点外，同时具有比功率密度与比能量高、可室温快速启动、无电解液流失、使用寿命长等优点，在移动电源、分散电站、电动汽车等方面具有广阔的应用前景。

催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一。目前，广泛应用的催化剂是以贵金属Pt为主要活性组分的担载型或非担载型催化剂，但其有限的资源和较高成本在很大程度上限制了质子交换膜燃料电池的发展。

传统的燃料电池电极制备方法采用Pt/C催化剂和Nafion溶液混合而成的浆液制备催化层。这种方法制备的电极，一方面，因质子无法到达不与聚合物电解质Nafion相接触的Pt纳米粒子而导致质子传导能力降低；另一方面，因部分Pt纳米粒子和碳载体被Nafion聚合物包裹而导致电子传导能力降低。上述两方面的影响均会导致贵金属催化剂中Pt的利用率下降。甚至有学者认为，燃料电池中高达90％的Pt并未得到利用。

近年来，大量研究工作致力于提高Pt的利用率以降低燃料电池催化剂中Pt的用量，研究主要集中在以下四个方面：

1)降低碳载体上所担载的Pt纳米颗粒的粒径；

2)提高Pt纳米颗粒在电极中的分散性；

3)在催化层中引入聚合物电解质(如Nafion聚合物)传导质子；

4)在催化剂载体表面引入能够传导质子的磺酸基团。

上述研究均使得燃料电池催化剂中贵金属Pt的利用率得到了一定程度的提高，但其催化剂中Pt的担载量仍在40％-60％左右，且催化剂的氧还原性能及寿命仍没有达到商品化催化剂的水平。因此，低Pt担载量、高Pt利用率的催化剂的制备仍是燃料电池进一步发展面临的亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种Pt-Nafion/C催化剂及其制备和应用。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种Pt-Nafion/C催化剂，催化剂中Pt质量含量为1.0-20.0％，Nafion聚合物质量含量为1.0-70.0％，C的质量含量为10.0-98.0％。

催化剂中Pt质量含量最优为1.0-5.0％，Nafion聚合物质量含量最优为5.0-20.0％，C的质量含量最优为75.0-94.0％。

一种Pt-Nafion/C催化剂的制备方法，包括以下步骤，

1)碳载体的功能化处理

a.于浓度为3-7mol/L的氧化剂溶液中加入碳载体，搅拌使之形成均匀浆液；

b.将上述浆液加热至共沸，同时对其进行冷凝回流并配合磁力搅拌，4-8小时后，取出，过滤，得固体物质；

c.采用去离子水对上述固体物质进行洗涤，至滤液呈中性后，将所得固体物质置于空气气氛100-140℃下干燥4-8小时，得功能化碳载体；

2)离子交换法制备Pt(NH₃)₂(NO₂)₂-Nafion/C催化剂前体

a.将前驱体盐Pt(NH₃)₂(NO₂)₂溶解于60-80℃去离子水中，形成前躯体盐溶液；

b.于乙二醇/水混合溶剂中加入Nafion溶液和步骤1)所得功能化碳载体，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入前躯体盐溶液；

或于乙二醇/水混合溶剂中加入步骤1)所得功能化碳载体，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入前躯体盐溶液，再次搅拌使之混合均匀后，加入Nafion溶液，搅拌使之混合均匀；

或于乙二醇/水混合溶剂中加入Nafion溶液，搅拌使之混合均匀后，逐滴加入前躯体盐溶液，再次搅拌使之混合均匀后，加入步骤1)所得功能化碳载体，搅拌使之混合均匀；

上述最终形成的混合物中Pt元素与碳元素的质量比为2∶1-1∶98，Pt元素与Nafion干树脂的质量比为20∶1-1∶7；

c.保持上述步骤b得到的混合物的温度在60-80℃，并进行搅拌，12-72小时后，采用去离子水洗涤，过滤，得固体物质；