[发明专利]一种复合催化剂及其制备方法在审

专利信息
申请号: 201711352485.0 申请日: 2017-12-15
公开(公告)号: CN109935848A 公开(公告)日: 2019-06-25
发明(设计)人: 王素力;李焕巧;孙公权 申请(专利权)人: 中国科学院大连化学物理研究所
主分类号: H01M4/92 分类号: H01M4/92;B82Y30/00
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 马驰
地址: 116023 *** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 催化层 电催化剂 粘结剂 催化剂合成过程 电极反应过程 高分子粘结剂 三相反应界面 优化燃料电池 催化剂颗粒 复合催化剂 液态电解质 运行稳定性 粘结剂分子 传输行为 放电性能 燃料电池 不均匀 复合物 膜电极 内电极 酸反应 传质 亲液 液孔 液区 制备 团聚 尺度 引入
【说明书】:

通过在催化剂合成过程中引入高分子粘结剂,制得电催化剂‑粘结剂复合物,可实现催化剂颗粒与粘结剂分子微/纳尺度上的均匀分布,两者的均匀分布不但可大幅提高膜电极中三相反应界面区域,同时电催化剂与粘结剂组分的均匀分布也有助于催化层中亲液及憎液孔的形成和均匀分布,优化燃料电池电极反应过程中液态电解质、酸反应气体及产物在催化层内的分布、传输行为,避免了因催化层内电极组分团聚引起亲、憎液区分布不均匀,发生“液淹”,强化空气传质,从而提高燃料电池的放电性能及运行稳定性。

技术领域

发明属于质子交换膜燃料电池领域,涉及一种燃料电池电催化剂的制备方法。

背景技术

由于具有能量转换效率高、比功率和比能量密度高、环境友好等优点,燃料电池车用动力电源已成为众多汽车企业和研究机构的主要研究课题和方向之一。其中以全氟磺酸型质子交换膜(如Nafion膜)氢氧燃料电池的研究最为广泛,如通用公司开发的第一辆“氢动1号”燃料电池轿车,以及丰田公司2016年推出的Miriam氢氧燃料电池车等。质子交换膜燃料电池特有优势使得其在分散式电站及热电联用设备及车用动力电源具有广阔的应用前景,许多国家及地区已相继开展该类燃料电池的研究。

同其它质子交换膜燃料电池一样,膜电极(MEA)是高温质子膜燃料电池的“心脏”部位,其组成及结构对燃料电池的放电性能、运行寿命及系统可靠性有着重要的影响。铂基电催化剂在燃料电池领域发挥着不可替代的作用,但铂的储量有限、价格昂贵,限制了其大规模应用。将铂担载在各种载体材料上可以有效降低铂的用量,并提高Pt催化活性,是提高铂的利用效率的方法之一。Pt用量的降低及活性的提高将直接导致燃料电池的成本大幅下降,大大推进燃料电池的商业化进程。

电催化剂是燃料电池膜电极的关键材料之一,其结构、组成直接影响电化学反应速度及稳定性。常规催化剂的制备方法多采用液相还原法,基于金属前驱体盐和还原剂的溶液,获得金属纳米胶体溶液,然后洗涤烘干获得粉末状电催化剂。也可以在催化剂制备过程中引入碳载体获得担载型的电催化剂粉末。基于液相还原法虽然可获得催化剂颗粒小、尺寸分布窄的胶体态纳米电催化剂,然而在电催化剂胶体后续洗涤,烘干的过程中,纳米尺寸的电催化剂颗粒由于表面能高,即便在常温下进行烘干也很容易发生颗粒的聚集长大现象。催化剂纳米颗粒间的聚结长大会导致电催化剂化学活性面积减小,降低了Pt催化剂利用效率,电池输出性能差。

为克服上述问题,本发明通过催化剂制备过程中引入粘结剂形成电催化剂-粘结剂复合物的方法,实现催化剂与粘结剂在微、纳尺度上均匀混合,可有效避免纳米催化剂聚结长大;其次基于电催化剂-粘结剂复合物亦可改善催化剂与粘结剂在催化层的均匀状态,,扩大三相反应界面区域,提高电池输出性能及运行稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足及缺点,本发明提出一种催化剂合成过程中直接引入粘结剂制备电催化剂-粘结剂复合物的方法,实现催化剂与粘结剂在微、纳尺度上均匀混合。

一种复合催化剂,所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂,所述粘结剂的质量含量不低于5%,且不高于40%;所述粘结剂的平均粒径为50-100nm。

所述金属活性组分的粒径为3-20nm。

所述金属活性组分为Pt;所述金属活性组分为PtM多组元催化剂,其中M为Co、Pd、Ni、Fe、Ru、Au、Sn、Cu中的一种或两种以上。

所述粘结剂为聚四氟乙烯,聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、Nafion中一种或两种以上的混合物。

所述复合催化剂还包括碳载体,所述碳载体在所述复合催化剂中的质量含量为20-80%。

所述复合催化剂的制备方法,包括以下步骤,

(1)配制金属活性组分前驱体盐溶液,并使其分散均匀;

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