[发明专利]一种质子交换膜燃料电池电极催化剂、制备方法及质子交换膜燃料电池

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池电极催化剂、制备方法及质子交换膜燃料电池，属于质子交换膜燃料电池技术领域。催化剂包括载体以及负载于载体表面的铂，所述的载体是指负载有类石墨相氮化碳量子点的碳纳米颗粒。本发明提供的电极材料通过对碳粒子表面进行羧基化改性，并在碳粒子表面修饰具有氨基的类石墨相氮化碳量子点，实现了氨基与羧基之间的酰胺化反应，再在表面原位生长得到金属铂层之后，在铂与碳之间通过碳化氮材料提高了电极的导电性。本本发明提供的电极材料在应用于质子交换膜燃料电池时具有较高的输出功率。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池电极催化剂、制备方法及质子交换膜燃料电池，属于质子交换膜燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有能量转换效率高、无污染的特点，非常适合作为绿色新能源汽车的动力能源。燃料电池电汽车可以解决汽车工业发展带来的环境与能源问题，为汽车工业未来发展带来新的契机。然而，燃料电池的高成本问题是动力燃料电池大规模产业化与商业化道路上的巨大挑战。目前，燃料电池所使用的催化剂是Pt基催化剂。根据2010年DOE年度报告，若以现有技术进行燃料电池汽车商业化，每年车用燃料电池对Pt资源的需求就高达1160 t，远远超过全球Pt的年产量（约200 t）。从降低成本以及有限铂资源角度考虑，开发高活性非贵金属催化剂势在必行。近年来，许多研究着眼于提高Pt基阴极氧还原(ORR)催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以减少Pt负载量，降低燃料电池成本。

PEMFC中广泛使用的阴极Pt/C催化剂在电池实际工作条件下容易发生聚集，导致粒径增大，随着工作时间的增加，氧还原活性降低。

现有技术中，文献[1]提供了一种PtNi/C催化剂的制备方法：利用醋酸镍和乙酰丙酮铂为金属前驱体，在二苯醚、油胺、油酸以及二氯苯等组成的混合溶剂中合成了PtNi合金纳米粒子，然后负载在碳载体上得到PtNi/C；在HClO₄溶液中酸处理，最后在惰性气氛中400℃处理。CN103280583A公开了一种用于制备质子交换膜燃料电池的催化层结构的方法：将碳粉和电解质树脂溶液加入到异丙醇中得到混合液，超声处理使所述混合液混合均匀，然后将所述混合液分散到质子交换膜上，干燥处理，使膜上形成一层碳粉层，即制得具有碳粉层的质子交换膜；将具有碳粉层的质子交换膜浸入到含有铂前驱体和弱还原剂的溶液中，在室温下静置48-72小时，取出质子交换膜，用去离子水将质子交换膜反复冲洗几次，然后进行干燥处理；在铂纳米线催化剂表面喷涂一层电解质溶液，然后进行干燥处理，即制得质子交换膜燃料电池的催化层结构。但是这种燃料电池电极是由铂前驱体直接在活性炭的表面进行还原而制备得到的，存在着导电性不好的问题。

参考文献：

[1]Journal of the American Chemical Society，2011 ,133 ,14396-14403 .

发明内容

本发明的目的是：解决现有技术当中质子交换膜燃料电池电极铂用量过高、负载型催化剂导电性不好的问题。本发明提供的电极材料通过对碳粒子表面进行羧基化改性，并在碳粒子表面修饰具有氨基的类石墨相氮化碳量子点，实现了氨基与羧基之间的酰胺化反应，再在表面原位生长得到金属铂层之后，在铂与碳之间通过碳化氮材料提高了电极的导电性。本本发明提供的电极材料在应用于质子交换膜燃料电池时具有较高的输出功率。

一种质子交换膜燃料电池电极催化剂，包括载体以及负载于载体表面的铂，所述的载体是指负载有类石墨相氮化碳量子点的碳纳米颗粒。

上述的质子交换膜燃料电池电极催化剂的制备方法，其制备步骤包括：

步骤a，羧基改性的纳米活性炭的制备：按照重量份计，取纳米活性炭10-20份加入至浓硝酸50-80份当中，升温进行改性反应，反应结束后，将纳米活性炭滤出，并使用去离子水洗涤，烘干后得到羧基改性的纳米活性炭；