[发明专利]一种聚合物电解质燃料电池用电极催化剂材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备燃料电池用电极催化剂材料，更具体而言，涉及一种可以用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中的氢的氧化电极和还原电极的电极催化剂材料。

背景技术

燃料电池是通过将燃料的化学能经电化学转化而不是将其燃烧过程而产生电能的装置。这是一种没有污染问题的发电机，因此近来很受关注。燃料电池通过使燃料与氧发生电化学反应来发电。它们可以为各种电气/电子消费品特别是移动装置、以及工业、家庭和车辆供电。

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种，除了具有其他燃料电池的优点外，它还具有常温下快速起动、结构简单紧凑、可靠性高等特点。在PEMFC中，氢气和氧气分别提供给氧化电极和还原电极，它们通过如下反应产生电流。

氧化电极反应：2H₂→4H⁺+4e

还原电极反应：O₂+4e+4H⁺→2H₂O

总反应：2H₂+O₂→2H₂O

如上所述，在氧化电极中，氢分子被分解并生成4个氢离子和4个电子。由此产生的电子通过外部电路移动，从而产生电流。氢离子通过电解质移动至还原电极，并参与还原电极反应。显然，燃料电池的效率主要取决于电极反应速率。

电极催化剂是影响电极反应速率的重要因素之一。大多数电极催化剂含有铂基金属，因此价格昂贵并且制造成果高。目前，实际应用在PEMFC上的催化剂仍主要为铂/碳(略写为Pt/C)。Pt/C虽然具有高比表面积和高导电性等优点，但在PEMFC工作环境下，尤其是在阴极的高氧含量、高电位条件下却很容易发生腐蚀，其化学和电化学稳定性难以达到PEMFC的寿命要求。碳载体的腐蚀会造成严重的后果，主要表现在：碳载体的腐蚀会造成铂颗粒与载体间的剥离，使铂颗粒无法获得电子而失去作用；碳载体的腐蚀还会造成铂颗粒的塌陷，使铂颗粒产生聚集，而且塌陷的铂颗粒更容易受到碳载体的覆盖或遮蔽；碳载体的腐蚀还会改变材料的表面状态，通常会降低材料的憎水性，增加气体传质阻力，同时碳氧化的中间产物(如CO)还会强烈吸附在铂的表面，造成催化剂中毒。近年，研究者尝试使用金属氧化物作为载体来负载Pt，来提高载体的耐腐蚀能力。例如在专利文献(CN 104300161 B)采用二氧化锆纳米链作为催化剂载体，制备得到催化剂材料。然而由实施例1中耐久性实验(图6)可知，当利用二氧化锆纳米链作为催化剂载体时，耐久性确实有了一定程度提高，经过45小时的加速退化实验，ECSA(根据CV曲线上的0.05V到O.4V(vs RHE)的氢脱附面积计算得到)的减少率为5.4％。然而，对比专利文献(CN 104300161 B)的图6和图7，可知，商用的Pt/C催化剂的ECSA为57.4m₂/g，而实施例1对应的催化剂材料的ECSA仅为28.1m₂/g。因此使用二氧化锆纳米链作为催化剂载体制备得到的催化剂材料，催化性能要商用的Pt/C催化剂(型号为TEC10E50E，日本田中贵金属工业)低不少。

背景技术部分所公开的信息仅用于帮助理解本发明的背景，不应当理解为承认或以任何方式暗示该信息形成了本领域技术人员以公知的现有技术。

发明内容

鉴于催化活性、催化剂稳定性为催化剂的重要参数，为实现此目的，本发明提供一种高耐久性(也可称为高耐腐蚀性)、高催化活性的电极催化剂材料。

本发明人等经过深入研究，最终发现：通过使用含有特定的二氧化锆纳米管和铂纳米粒子制备得到的电极催化剂材料，具有令人满意的电化学活性和高耐腐蚀性，从而最终完成了本发明。

即，本发明涉及一种聚合物电解质燃料电池用电极催化剂材料，其特征在于，该电极催化剂材料含有作为支撑材料的二氧化锆纳米管以及安置在支撑材料上的铂纳米粒子。

进而，所述的聚合物电解质燃料电池用电极催化剂材料，其中，二氧化锆纳米管的平均长度为1-50μm，平均直径为10-50nm。，平均直径为10-50nm。

进而，所述的聚合物电解质燃料电池用电极催化剂材料，其中，铂纳米粒子的含量，相对于100质量份的电极催化剂材料，铂纳米粒子的量为10-50质量份。

进而，聚合物电解质燃料电池用电极催化剂材料的制备方法，其包括：

(1)将二氧化锆纳米管分散在溶剂中配制分散体系A，并配制铂前体溶液B；