[发明专利]一种核壳催化剂后处理方法和系统

说明书

本发明提供一种核壳催化剂后处理方法和系统，涉及燃料电池材料领域。本发明的后处理方法，包括以下步骤：将核壳催化剂加入至含有柠檬酸或乙二胺四乙酸的电解质溶液中，向电解质溶液中通入含有氧气的气体，搅拌反应预定时间，反应期间记录开路电位，反应完成时开路电位稳定在0.90～1.0V vs.RHE；所述柠檬酸或乙二胺四乙酸与核壳催化剂中的铂的摩尔比为10～1000：1；所述含有氧气的气体中氧气的体积百分数为10～100％。本发明的后处理方法，可显著提升核壳催化剂的铂质量活性和PGM质量，以及催化剂的耐久性。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，特别是涉及一种核壳催化剂后处理方法和系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种以小分子燃料(例如氢气、甲醇等)和氧气为反应物，在膜电极内发生电化学反应以进行发电的供能装置。现时对车用燃料电池的研发大多聚焦在以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，因为与其他燃料相比其具有更高的能量密度、更简单的反应机理和快速的反应动力学。以下对以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，简称为燃料电池。燃料电池中的阴极电化学反应(氧还原反应)动力学缓慢，需要大量催化剂以实现装置实用性。现时已商品产业化的燃料电池大多以碳载纳米铂作为电池的催化剂，因铂金属为最能够有效催化氧还原反应的元素，同时相较于其他金属，铂具有较好的抗氧化耐腐蚀性。因此以碳载纳米铂作为催化剂，可使燃料电池得以输出较大的功率密度和实现较长时间的使用寿命。但铂是贵金属，来源稀少且价格昂贵，以纳米颗粒的形式虽可提高铂催化剂的利用率，但随着在氧化性的工作环境下运行，铂纳米颗粒将逐渐团聚而使得燃料电池功率输出性能不可逆得衰减。

如何在降低燃料电池膜电极铂载量，并且保持电池输出功率密度和延长使用寿命，是现今燃料电池领域的主要研究课题。从催化剂本身着手，铂合金、核壳结构、单原子等新型催化剂相继问世，大幅提升了催化剂中单位质量铂的催化活性，为实现高性能低铂膜电极的大规模产业化向前迈进了关键一步。核壳结构催化剂是一种以非铂的金属(例如钯)或化合物(例如氮化钛)作为内核，单层或数层原子厚度的铂作为外壳的催化剂，此特殊结构可大幅提升铂原子的利用率，且内核材料对外壳铂原子造成的电子、拉伸作用可提高铂壳的ORR催化活性。内核材料对铂壳的阴极保护，亦可减少铂壳腐蚀溶解而抑制催化剂颗粒团聚，延长电池寿命。

核壳催化剂制备关键在于精确控制外壳的生长，壳层厚度和包覆均匀性将直接影响催化剂活性和耐久性。铂单原子层催化剂的制备方法最早是由美国BrookhavenNational Laboratory的Adzic团队所提出，其中涉及在核材料纳米颗粒(例如钯、钌、铑、金等)表面以欠电位沉积法(UPD)生长单原子层模板(例如铅、氢、铜)，再引入铂离子使其与模板发生表面氧化还原置换反应(SLRR)，形成铂单原子壳层。在上述反应步骤的基础上，许多提升核壳催化剂性能及放大批量制备的方法被相继提出，其中以钯或钯合金(例如钯钴、钯镍)作为核心能够有效提高铂单原子层的催化活性，但钯同样为铂族金属(PGM)来源稀少且价格昂贵。以化学法或是电化学法对核壳催化剂进行后处理，可溶解部分钯核及修补铂壳缺陷，实现有效降低核壳催化剂中的钯用量。溶解出的钯离子可回收提纯再利用，达到进一步降低催化剂成本的目的。