[发明专利]一种燃料电池用氮掺杂碳载铂基催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池用氮掺杂碳载铂基催化剂的制备方法，其包括制备氮掺杂碳粉、制备氮掺杂碳粉聚合体、制备氮掺杂碳载铂基混合液以及制备产品。本发明提供的方法，大幅提高了Pt催化剂的利用率，提升了Pt催化剂的性能和稳定性，具有质子传输功能，大幅度降低了成本。本发明提供的技术方案采用间歇微波的方式，能很好控制反应温度，温升均匀，重复性好。

技术领域

本发明涉及新能源及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用具有质子传输功能氮掺杂碳载铂基催化剂及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，能源危机日益严重，能源问题已成为当今世界面临的重大难题，新能源材料及其利用方式的重要性日益凸显。作为一种高效清洁的电化学发电装置的燃料电池，其中的质子交换膜燃料电池以能量转换效率高、无污染、系统结构简单、能量密度高和燃料携带补充方便等优点受到人们的青睐。

作为质子交换膜燃料电池重要组成部分的铂碳催化剂，其活性和寿命直接影响燃料电池的性能、使用寿命及成本。不同的制备方式对于催化剂的尺寸、形貌和分散方式等能产生很大影响，继而影响到催化剂的活性和稳定性。就Pt/C催化剂的稳定性而言，目前仅在Pt纳米粒子在电池运行条件下的溶解、团聚、电化学烧结等方面对催化剂的稳定性做改进。而实质上，导致Pt/C催化剂不稳定的因素是Pt与碳载体之间的弱相互作用。

近年来，研究表明在碳材料中进行微量元素(N、B等)掺杂或修饰，可以改变碳载体的物理、化学性能，改善Pt与碳载体的相互作用，从而使其具有优异的稳定性。该法的弊端在于并没有改变Pt/C催化剂质子的传导功能，仅从Pt颗粒的尺寸、形貌、分散以及与载体C的结合力等原材料角度改善燃料电池的性能、成本和耐久性。但是，Pt/C催化剂制备的燃料电池膜电极必须兼顾电化学反应三相界面以及电子、质子、气体和水的传质微通道等多种因素。因此，Pt/C催化剂不仅要考虑Pt颗粒的尺寸、形貌、分散以及与载体C的结合力，而且更要考虑到电化学反应过程中的多相传质能力。

目前，已公开的Pt/C催化剂均没有质子传导功能，而是在制备燃料电池膜电极器件过程中，加入质子交换溶液(如Nafion D520)配制催化剂浆料，然后采用热压法、喷涂法等方法在质子交换膜表面上制备几微米厚的催化层，质子交换溶液的加入赋予了催化层质子传导能力，形成电池内部的质子运输回路，与外电路的电子运输回路闭合，从而实现发电功能。然而，Pt/C催化剂与质子交换溶液(如Nafion D520)所制备的催化层中，离子相(如Nafion聚合物)呈无序纳米薄膜态，导致了Pt催化剂的实际利用率不到40％。

因此，需要提供一种在增强Pt/C催化剂的Pt与C载体结合力的同时，能赋予C载体质子传导功能，提高Pt利用率的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时具有电子传导能力和质子传导能力的Pt/C催化剂的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：

一种燃料电池用氮掺杂碳载铂基催化剂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)制备氮掺杂碳粉：

在惰性气氛下对经干燥的氮源溶液浸渍的碳黑热处理和研磨；

(2)制备氮掺杂碳粉聚合体：

用碱液对上述氮掺杂碳粉与磺酰单体、四氟乙烯、助剂和引发剂进行自由基聚合的聚合体水解，得所述氮掺杂碳粉聚合体；

(3)制备氮掺杂碳载铂基混合液

将超声处理10～20min后的氮掺杂碳粉聚合体、铂前驱体溶液、水和乙二醇混合溶液的pH调节10～13后再超声处理15～25min；

(4)制备产品：