[发明专利]一种质子交换膜燃料电池双元合金催化剂的高温制备方法

说明书

本发明属于新能源材料与应用技术领域，特别涉及到一种质子交换膜燃料电池双元合金催化剂的高温制备方法。本发明的制备方法包括以下步骤：（1）将过渡金属前驱体溶液与铂碳催化剂悬浮液进行混合并搅拌，充分分散；（2）将沉淀剂溶液和还原剂溶液加入步骤（1）中分散后的混合液中，调节混合液的pH值为9‑13，沉淀完全后离心或者压滤洗涤数次，充分干燥后得到催化剂前驱体粉末；（3）将催化剂前驱体粉末高温焙烧，降温后酸洗，干燥后得到催化剂粉末。本发明使用过渡金属元素与铂催化剂形成双元合金催化剂，能够降低催化剂的成本，过渡金属与铂形成合金后，使得铂的晶格收缩，降低表面对氧气的吸附能，从而提高氧还原反应的催化活性。

技术领域

本发明属于新能源材料与应用技术领域，特别涉及到一种质子交换膜燃料电池双元合金催化剂的高温制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有清洁、高效、功率密度高等优点，是近年来的研究热点，具有广泛的应用前景，但是其成本与寿命依然是制约其工业化的主要难题。其中，催化剂的稳定性和价格直接决定了燃料电池的耐久性和成本。因此开发高活性、低成本、高稳定性的燃料电池催化剂非常必要。

目前燃料电池用催化剂主要是铂催化剂，铂的价格昂贵，资源有限，纯铂催化剂成本较高，约占到燃料电池成本的40%；且由于纯铂表面对氧气的吸附能较大，纯铂催化剂对阴极侧氧还原反应的催化活性受限制。在现有高温热处理制备合金催化剂的报道中，高温处理会使得合金颗粒长大，粒径过大会极大影响催化剂颗粒的催化活性。同时在电池的运行过程中，催化剂颗粒会发生团聚和溶解，使得电池性能下降，稳定性降低，寿命缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种质子交换膜燃料电池双元合金催化剂高温制备方法。本发明的制备方法可以降低燃料电池催化剂贵金属铂的用量，提高氧还原催化活性，降低燃料电池成本，提高催化剂的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池双元合金催化剂的高温制备方法，包括以下步骤：

（1）将浓度为0.01-5mol/L的过渡金属前驱体溶液与铂碳催化剂悬浮液进行混合并搅拌，充分分散；

（2）将浓度为0.01-10mol/L的沉淀剂溶液和还原剂溶液加入步骤（1）中分散后的混合液中，调节混合液的pH值为9-13，沉淀完全后离心或者压滤洗涤数次，充分干燥后得到催化剂前驱体粉末；

（3）将催化剂前驱体粉末在保护气体氛围下、300-900℃高温焙烧0.5-4h，焙烧完成后降温，降温后加入浓度为0.01-5 mol/L的酸溶液，离心或者压滤洗涤数次，充分干燥后得到催化剂粉末。

步骤（1）中所述过渡金属前驱体为钴、镍、铁或铜中的一种或两种以上的可溶盐。

步骤（1）中所述过渡金属前驱体为钴、镍或铜的可溶盐，包括硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍或硫酸铜。

步骤（1）中所述铂碳催化剂悬浮液中分散铂碳催化剂所用的溶剂是水和/或乙二醇，铂碳催化剂与溶剂的质量比为1/500-1/40。

步骤（2）中所述沉淀剂溶液是氢氧化钠、碳酸钠或氨水中的一种或多种的混合液。

步骤（2）中所述还原剂是乙二醇、甲酸钠或亚硫酸钠中的一种或多种的混合液，还原剂与过渡金属的摩尔比为0:1-100:1。

步骤（3）中所述催化剂前驱体焙烧过程中通入的保护气体为氮气、氢气或氩气中的一种或多种。

步骤（3）中焙烧完成后进行酸洗时采用盐酸、硫酸或硝酸的水溶液，浓度范围是0.01-5 mol/L。

步骤（3）中高温焙烧时升温速率控制在1-20℃/min。