[发明专利]一种燃料电池的石墨化碳载体催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种燃料电池的石墨化碳载体催化剂及制备方法。包括如下制备过程：（1）将多孔纳米非晶碳微球装载于铂电极的表层；（2）以铂电极为阴极，以石墨电极为阳极，在电解质中进行电解；（3）多孔纳米非晶碳微球形成片层状石墨结构，进一步形成类核壳结构的多孔材料；（4）将阴极取出后将附着物剥离，即得负载铂催化剂的石墨化碳载体催化剂。本发明通过低温下将非晶碳转变为石墨相，同时形成空心结构后将铂引入，有效降低了非晶碳相变温度，可将铂金属有效负载于多孔碳载体内部，所得石墨化碳载体催化剂及催化剂具有良好的抗氧化性能和结合力，可有效提升燃料电池的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种燃料电池的石墨化碳载体催化剂及制备方法。

背景技术

能源、环境和信息是二十一世纪科技发展的三大主题，在能源方面，开发和利用新型清洁能源、提高现有能源和利用率成为发展的重要目标。目前，化石燃料逐渐减少，氢能、太阳能等可再生资源将是今后世界能源额发展方向。其中，燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，由于其不经过然后过程，因而具有能源密度高，能量转化率高和清洁无污染等优点而受到了全世界的普遍关注。

在燃料电池中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。

在燃料电池中，膜电极是核心组件，由质子交换膜、催化剂、气体扩散层复合而成。传统催化剂材料如铂基材料需要负载在炭黑颗粒上，但在燃料电池工作的高电位下，碳载体会被氧化和腐蚀，导致纳米铂颗粒与载体分离并团聚，同时碳基载体表面出现大量含氧官能团，提高电极的亲水性和阻抗，还会进一步分解为CO和CO₂，从而降低电化学性能。为了解决提高碳载体的稳定性，研究人员针对碳载体进行石墨化处理，用于提高其抗氧化性，石墨化处理技术成为燃料电池催化剂载体性能提升的重要内容。

中国发明专利申请号99112700.5公开了一种燃料电池用的碳载铂电催化剂的制备方法，以氯铂酸为原料，以甲醛为还原剂，催化剂的含铂量为5~60％，其特征在于：（1）将碳载体先用有机溶剂分散，每100毫升有机溶剂中分散的碳为1~5g，有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、乙醚、丙酮一种；（2）将（1）混合物、甲醛、氯铂酸溶液混合，并由氢氧化钠或碳酸氢钠调节pH值至9~13，还原反应在保护性气氛中进行，反应温度在50~95℃；（3）反应完成后加入促沉降剂二氧化碳，调节溶液pH值至6~8，以促进催化剂沉降。本发明铂分布均匀，性能优异，且制备成本低廉，适合工业化生产。

中国发明专利申请号201410143077.4公开了一种直接甲醇燃料电池铂基催化剂载体及其制备方法，催化剂载体为类石墨氮化碳修饰碳复合材料，其制备方法为：（1）称取类石墨氮化碳前驱体和碳材料，混合均匀得到混合物A；（2）将混合物A半密封放入管式炉氮气气氛中，在2~10℃/min的升温速率下升温至500~700℃并保持1~5h，得到材料B；三、将材料B用超纯水洗涤过滤，真空干燥得到类石墨氮化碳修饰碳复合材料。该发明通过在碳材料表面修饰类石墨氮化碳的方法，可以方便地调控类石墨氮化碳的修饰比例，使载体材料保持优异的导电性能。此外，类石墨氮化碳的助催化作用和对Pt/Ru金属纳米粒子强的吸附作用可以明显的提高其催化活性和稳定性。

根据上述，现有方案中用于质子交换膜燃料电池催化剂碳载体进行石墨化处理的方法，石墨化处理温度较高，需要大量金属催化剂，能耗与成本较高，并且石墨化碳基材料表面活性位点相对较少，难以有效负载金属，碳载体及催化剂的抗氧化性能和结合力差。

发明内容