[发明专利]制备氢燃料电池催化剂的方法及其应用

说明书

本发明公开了制备氢燃料电池催化剂的方法及其应用。其中该制备方法包括：(1)将六水合氯铂酸、六水合硝酸铈、炭黑和乙二醇混合，并将混合液的pH值调节至碱性；(2)在惰性气氛下对步骤(1)得到的碱性混合液进行加热回流；(3)对步骤(2)得到的反应液进行过滤、洗涤和干燥，以便得到铂/二氧化铈/碳复合催化剂。该制备方法不仅操作简单、重复性好，而且制备得到的催化剂具有催化活性高、稳定性好，且使用寿命较长的优点，将其用于氢燃料电池可以大幅提高氧的还原性能，能有效解决或显著改善氢燃料电池阴极氧还原反应存在过电势的问题。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体而言，涉及制备氢燃料电池催化剂的方法及其应用。

背景技术

燃料电池发电技术是氢能高效利用的重要内容和理想手段。作为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转化为电能的发电装置，兼具效率高、排放低、安全无噪音等优点。其中，氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，通过氢气与氧气反应，从而将化学能转化为电能。氢燃料电池早在20世纪60年代就已应用在航天领域，随着人们不断掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池被运用于发电和汽车。作为新能源汽车的技术路线之一，氢燃料电池汽车已经在全球范围内引发了关注。

众所周知，氢燃料电池的催化剂为铂，其价格不仅昂贵，而且进行氧化还原反应的效率还不高，这也是在清洁运输行业中氢燃料汽车难以与电动汽车竞争的主要原因之一。目前在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)中，一般使用碳载铂(Pt/C)作为催化剂，然而，其阴极氧还原反应仍有高达0.4V的过电势。因此，进一步提高催化剂的催化效率、稳定性和耐久性，降低催化剂的成本，是实现氢燃料电池商业化的必要条件。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术。为此，本发明的一个目的在于提出制备氢燃料电池催化剂的方法及其应用。该制备方法不仅操作简单、重复性好，而且制备得到的催化剂具有催化活性高、稳定性好，且使用寿命较长的优点，将其用于氢燃料电池可以大幅提高氧的还原性能，能有效解决或显著改善氢燃料电池阴极氧还原反应存在过电势的问题。

根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种制备氢燃料电池催化剂的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将六水合氯铂酸、六水合硝酸铈、炭黑和乙二醇混合，并将混合液的pH至调节至碱性；

(2)在惰性气氛下对步骤(1)得到的碱性混合液进行加热回流；

(3)对步骤(2)得到的反应液进行过滤、洗涤和干燥，以便得到铂/二氧化铈/碳复合催化剂。

发明人发现，金属氧化物二氧化铈和金属铂之间存在较强的相互作用，可抑制铂颗粒之间发生团聚。基于此，本发明上述实施例制备氢燃料电池催化剂的方法通过预先将六水合氯铂酸、六水合硝酸铈、炭黑和乙二醇混合并调节pH值至碱性，后加热回流，可以将铂纳米颗粒首先负载在二氧化铈颗粒表面，然后再与碳复合，得到铂、二氧化铈和碳三相均一的复合催化剂，由此可以避免铂纳米颗粒在炭黑表面发生团聚，提高催化剂的稳定性，使该复合催化剂能够大幅度提高氧的还原性能，从而提高催化活性。综上，采用该方法可以一步法合成铂/二氧化铈/碳复合催化剂，不仅制备条件温和、操作简单、重复性好且可大规模生产，而且与现有的Pt/C催化剂相比，采用该方法制备得到的复合催化剂催化活性更高、稳定性更好，使用寿命更长，将其用于氢燃料电池可以大幅提高氧的还原性能，能有效解决或显著改善氢燃料电池阴极氧还原反应存在过电势的问题，具有很强的实用性。

另外，根据本发明上述实施例的制备氢燃料电池催化剂的方法还可以具有如下附加的技术特征：