[发明专利]一种有序多孔金属催化层及其制备方法、燃料电池

说明书

本发明涉及一种有序多孔金属催化层及其制备方法、燃料电池，属于燃料电池催化层技术领域。本发明的有序多孔金属催化层的制备方法，包括以下步骤：采用脉冲电沉积方法在基底上沉积前驱金属形成前驱金属颗粒，得材料A；通过化学置换将贵金属担载在材料A的前驱金属颗粒上，得材料B，即得。本发明的制备方法，借助于脉冲电沉积方法在基底上沉积前驱金属颗粒，通过化学置换将贵金属担载在前驱金属颗粒表面，实现催化层的原位制备，避免因载体本身易被氧化、腐蚀而导致膜电极寿命降低的现象，提高催化层的稳定性，并且催化层的厚度易于控制，可减薄至300nm以下，得到传质通道有序、传质性能良好的催化层。

技术领域

本发明涉及一种有序多孔金属催化层及其制备方法、燃料电池，属于燃料电池催化层技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种有望率先实现商业化的燃料电池，它具有能量转化效率高，功率密度高，环境友好，室温快速启动等优点。然而燃料电池的成本较高、寿命不足、性能较低是制约着质子交换膜燃料电池商业化的主要因素。其中碳载体的腐蚀是影响燃料电池寿命的关键因素。当前解决问题有两种策略：1)是从载体本身入手，制备出耐高电位、强酸性和强氧化性的催化剂载体；2)是制备无载体的催化剂。但是由于载体的稳定性和导电性难两全，而现有技术制备的由无载体的催化剂构成的催化层，又由于催化剂堆积，传质极化较大，使得不论是通过改善载体的性能或者自支撑催化剂都难以满足实际需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定性高、传质极化小的有序多孔金属催化层的制备方法。

本发明还提供了一种采用上述制备方法制得的有序多孔金属催化层，以及采用该有序多孔金属催化层的燃料电池。

为了实现以上目的，本发明的有序多孔金属催化层的制备方法所采用的技术方案是：

一种有序多孔金属催化层的制备方法，包括以下步骤：采用脉冲电沉积方法在基底上沉积前驱金属形成前驱金属颗粒，得材料A；通过化学置换将贵金属担载在材料A的前驱金属颗粒上，得材料B，即得。

本发明的有序多孔金属催化层的制备方法，借助于脉冲电沉积方法在基底上沉积前驱金属颗粒，通过化学置换将贵金属担载在前驱金属颗粒表面，实现催化层的原位制备，避免因载体本身易被氧化、腐蚀而导致膜电极寿命降低的现象，提高催化层的稳定性，并且催化层的厚度易于控制，可减薄至300nm以下，得到传质通道有序、传质极化小，传质性能良好的催化层。

本发明的有序多催化层的制备方法，既可以用于有载体的催化层的制备，也可以用于无载体的催化层的制备。

所述基底为气体扩散层、碳纸、碳布、PPy纳米线阵列、TiO₂纳米棒阵列中的一种。

特别是现有技术中采用TiO₂纳米管阵列作为基底时，由于纳米管与管之间的间隙小(一般情况下＜50nm)，同时纳米管管径也小于70nm，这些使得得到的材料用作电极时不利于物质传递，特别是产生水后，由于毛细管作用力，不利于排出，容易造成水淹；本发明以TiO₂纳米棒阵列作为基底时，由于TiO₂纳米棒结构有序，棒与棒的间隙约80～120nm，使所得有序多孔金属催化层具有孔道结构有序，传质极化小的特点，相较于现有技术中以TiO₂纳米管阵列作为基底能够降低传质阻力，提高传质速率。

优选的，所述TiO₂纳米棒阵列的棒间距为80～200nm。

所述有序多孔金属催化层可以包括基底也可不包括基底。所述有序多孔金属催化层包括基底时，可直接作为燃料电池的气体扩散电池使用。如以气体扩散层、碳纸或碳布作为基底时制备得到的有序多孔金属催化层可以作为燃料电池的气体扩散电极使用。