[发明专利]阴极Pt-M催化剂的循环稳定性预测模型及其建模方法

说明书

本发明公开了一种阴极Pt‑M催化剂的循环稳定性预测模型及其建模方法。模型分为：表面Pt化模型，催化剂内Pt和过渡金属M溶解模型以及最后完整物料演化模型。该模型中合理假设了合金催化剂结构为两相核壳结构：颗粒表面为纯Pt壳，核内为均匀Pt‑M合金相。针对合金催化剂的衰减，考虑了以下衰减机制：颗粒表面Pt氧化过程、颗粒表面Pt奥斯瓦尔德熟化过程、过渡金属M原子从核内溶出过程、Pt²⁺和M²⁺在催化层中扩散过程以及Pt²⁺在CL/MEM界面上被从阳极渗透的氢气还原形成Pt带的过程。针对质子交换膜燃料电池阴极催化剂耐久性测试过程复杂、花费巨大且耗时等问题，本发明采用了建模模拟的方法，大大减少了催化剂的耐久性测试成本。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池阴极Pt-M催化剂的 循环稳定性预测模型及其建模方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种利用催化剂将氢能转化成电能的装置，具有转化效率高， 绿色无污染，相应速度快等优点。膜电极是燃料电池中最重要的部件，也是电化学反应发 生的场所，而阴极作为氧气还原的场所又是其中最重要的部件，因为在整个电化学反应过 程中，氧气还原反应是其决速步，影响着最终燃料电池的性能。目前，Pt-M合金催化剂由于其更高的催化反应活性在燃料电池中得到了广泛的应用，但是在燃料电池的操作过程中， 阴极催化剂中的Pt和过渡金属M原子在酸性环境中仍不可避免会发生溶解，导致其催化 活性会随着使用时间而逐渐降低。因此，阴极Pt-M催化剂的循环稳定性是影响燃料电池能否大规模商业化的关键因素之一。

目前，为了检测催化剂的循环稳定性，通常都需要将催化剂做成膜电极，然后做加速 衰减实验。这种方法不仅操作过程复杂，需要进行多组实验，而且需要花费大量的时间和 金钱。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种阴极Pt-M催化剂的循环 稳定性预测模型及其建模方法。通过该模型，只需要测试衰减前合金催化剂的粒径分布、 元素组成、颗粒结构、催化剂电化学比表面积(ECSA)和CV曲线就可以预测某种新型合金催化剂的循环稳定性。同时也可以用于指导新型合金催化剂合成。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种阴极Pt-M合金催化剂的循环稳定性预测模型，所述模型包括壳表面 Pt的氧化模型、Pt和过渡金属M的溶解模型以及完整的物料演化模型。

该模型假设在阴极催化层截面方向上催化剂均匀分布；假设碳载体上的所有催化剂颗 粒都为半球型，并且合金催化剂结构表现为两相核壳结构(商业化的合金催化剂通常表现 为核壳结构，所以模型中对催化剂结构合理地假设为两相核壳结构)，其中壳层为纯Pt 层，核相为均匀的Pt-M合金；假设初始的催化剂壳厚在不同粒径下是一致的；

优选的，在模型中，催化层厚度方向上被离散为K个控制区，催化剂粒径被离散为J个粒径组；所述壳表面Pt的氧化模型包括在第z个控制体中颗粒粒径为D的催化剂表面 Pt的氧化反应速率方程。在每一个控制区内，催化剂某个粒径组j对应的初始颗粒数可以 通过拟合实验测得的衰减前的ECSA和粒径分布PSD得到。

本模型充分考虑了衰减过程中催化剂粒径演变对Pt平衡氧化电位的影响；Pt的溶解 主要发生在Pt壳表面，而过渡金属的溶解主要来源于其从核内暴露到表面而发生的；根据 Pt和过渡金属M的溶解速率可以推算出合金颗粒的结构演化。

优选的，在模型中，催化层厚度方向上被离散为K个控制区，催化剂粒径被离散为J个粒径组；假设在溶解过程中颗粒表面至少可以保持一层Pt原子层；假设对于Pt壳厚度 大于1原子层(ML)的，其溶解速率为零，而当Pt壳厚度小于等于1ML，M原子会快速 溶解，从而使Pt壳厚度保持在1ML；所述Pt和过渡金属M的溶解模型包括在第z个控制 体中颗粒粒径为D的合金催化剂上Pt的净溶解速率方程以及M原子的溶解速率方程。