[发明专利]一种基于刻蚀处理碳载体的铂基催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及燃料电池催化剂领域，涉及一种基于刻蚀处理碳载体的铂基催化剂的制备方法及其应用；步骤为：首先制备得到刻蚀处理后的碳载体；然后，将氯铂酸加入乙二醇溶液中，再加入柠檬酸钠和碳载体，均匀分散后，调节溶液的pH值，置于密封的高压反应釜中进行反应；经冷却、调节pH、超声、过滤、干燥，得到基于刻蚀处理碳载体的铂基催化剂；本发明操作简单、使用刻蚀后的碳载体具有稳定的结构和较大的比表面积，能够促进铂纳米颗粒的均匀分散和附着，增大催化剂纳米粒子的电化学活性表面积，提高催化活性，限制铂纳米颗粒的迁移和流失，提高稳定性；并且，使用刻蚀处理碳载体的催化剂表现出了比商业Pt/C催化剂更高的活性及更强的稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂领域，特别涉及一种基于刻蚀处理碳载体的铂基催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

聚电解质膜燃料电池(PEMFC)作为第五代燃料电池，被认为是本世纪最有前景的清洁能源技术之一。有关这类燃料电池的研究是该领域的热点课题，然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。提高燃料电池运行温度被认为是解决目前聚合物电解质膜燃料电池面临主要问题的理想途径。与传统的低温膜燃料电池(LT-PEMFC)相比，高温膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度是120℃～200℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力。同时，高温膜燃料电池产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，高温膜燃料电池不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。目前，HT-PEMFC已成为PEMFC的一个重要的发展方向。

贵金属Pt是PEMFC最常见的催化材料，催化剂的活性和稳定性对于PEMFC的商业化应用来说起着至关重要的作用。碳材料由于其极好的导电性和高比表面积被广泛地应用于Pt基催化剂载体。然而在HT-PEMFC较为严苛的运行环境(酸性和高温)中，催化剂易发生老化。位于阴极碳载体上的Pt基催化剂会出现较严重的碳腐蚀和较弱的金属载体相互作用，致使Pt颗粒发生溶解和聚集，从而导致相对较差的催化活性和稳定性；这些缺点严重阻碍了HT-PEMFC的发展与应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，针对所述HT-PEMFC中铂碳催化剂快速老化的问题，提供一种简单的碳载体刻蚀处理方法，使其具有稳定的结构和较大的比表面积，可以促进铂纳米颗粒的均匀分散和附着，增强铂与碳载体的相互作用，增大铂碳催化剂中铂纳米颗粒的电化学比表面积，进而提高HT-PEMFC的性能和稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)将碳载体均匀分散于丙酮溶液中，过滤后，经去离子水洗涤、干燥，得到丙酮处理的碳载体；将丙酮处理的碳载体浸入硝酸和双氧水的混合溶液中；然后在一定温度条件下进行回流，再经去离子水洗涤、干燥，得到干燥后的样品，分散于Fe(NO₃)₃溶液中，经干燥后再置于马弗炉中进行烧结，烧结后的样品用稀盐酸溶液和去离子水洗涤，经干燥后，即得到刻蚀处理后的碳载体；

(2)催化剂的制备：

首先将氯铂酸加入乙二醇溶液中，得到混合液，然后加入柠檬酸钠，再加入步骤(1)刻蚀处理后的碳载体，均匀分散后，调节溶液的pH值，然后置于密封的高压反应釜中进行反应；反应后静置冷却至室温，再次调节pH后，经超声、过滤、干燥，得到基于刻蚀处理碳载体的铂基催化剂。

优选的，步骤(1)中所述碳载体为炭黑、碳纳米管、碳纤维、碳纳米球、氧化石墨或石墨烯类的一种或多种。

优选的，步骤(1)中所述丙酮溶液体积与碳载体的体积比为2-5：1。

优选的，步骤(1)中所述硝酸和双氧水的体积比为1-5:1；所述硝酸的浓度为5-20wt％，双氧水的浓度为5-30wt％。