[发明专利]一种固体高分子型燃料电池用催化剂及其制造方法

说明书

本发明公开了一种固体高分子型燃料电池用催化剂及其制造方法，属于燃料电池催化剂技术领域。催化剂包括高比表面的载体和负载在载体上的含铂金属纳米颗粒，所述载体的表面含氧官能团量为3～10wt％，所述含氧官能团包括羟基、羧基、羰基、硝基中的一种或多种，所述载体为碳载体，所述碳载体为还原氧化石墨烯、短碳纳米管、炉黑或科琴黑，所述碳载体的比表面为200～1000m²/g；制备方法为采用液相团簇生成‑聚合‑担载三步法制备工艺，该合成方法批次稳定性高，所得催化剂作为燃料电池阴极应用时，表现出了高电化学活性和稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，更具体地说，涉及一种固体高分子型燃料电池用催化剂及其制造方法。

背景技术

固体高分子型燃料电池，亦称质子交换膜燃料电池(PEMFC)的发展瓶颈目前在于需要大幅降低其成本。其中一个重要的途径就是降低燃料电池中催化层内部所需使用的贵金属用量，而为了达到该目的，需要有效的提高电催化剂每单位铂金属的催化活性，因此面向燃料电池的高性能电催化剂具有巨大的市场需求。然而，由于电催化剂合成属于新兴纳米技术，其作为一种精细化工产品，工艺路线复杂且生产设备精度要求高，产品品控难度大，高品质电催化剂产品的价格仍居高不下。

为了提高电催化剂的品质，目前在大批量制备工艺上的几个难点在于：1、在碳载体负载铂及其合金纳米晶的过程中，需要有效防止或抑制纳米晶之间相互堆叠造成的团聚和颗粒粗化。2、需要提高碳载体与纳米金属颗粒组分之间的结合力，从而抑制催化剂在使用过程中发生的纳米催化剂烧结，剥离以及碳载体腐蚀等过程，从而提高电池的使用寿命。3、需要尽可能的减少催化剂产品在制备过程中携带的杂质，保持铂催化剂表面洁净，从而提高其本征活性。

经检索，中国专利申请号为201410657388.2，申请公开日为2016年8月24日的专利申请文件公开了一种铂/树脂碳催化剂的制备方法及其应用。该专利方案使用了价格较为昂贵的碱性离子交换树脂作为碳源，制备出富含孔道的碳载体，实现了抑制铂纳米级团聚的效果，但是其工艺方法较为复杂，生产成本高而且使用碳基底内部的孔道做为一种物理性的空间位阻，碳载体与纳米金属颗粒组分直接的结合力较弱。

日本田中贵金属公司于2019年12月3日公开的专利CN201880025602.9中，采用了铂源与碳载体液相混合，然后还原性氛围下高温热退火的过程，制备铂碳催化剂，采用这种方案的铂催化剂表面杂质可以被高温处理除去，催化剂活性高，但是由于碳基底未经过处理，铂纳米颗粒与碳载体间的结合力很弱，而且采用高温制备过程不可避免会导致铂纳米颗粒一定程度上的团聚和烧结。

中国专利申请号为202010000499.1，申请公开日为2020年4月10日的专利申请文件公开了一种燃料电池电催化剂及其制备方法。该专利的催化剂由特殊设计的具有氧催化还原活性的高比表面碳基底和负载在其上的贵金属合金催化剂纳米颗粒复合而成，负载其上的贵金属催化剂纳米颗粒为主活性位，作为载体的碳基底表面含有大量官能团，其中包含了过渡金属Co，Fe与氮进行配位为第二活性位。但是，该方法制备碳载体的工艺较为复杂，需要反复焙烧；而且该专利得到的催化剂质量比活性低于0.2Amg_Pt^-1。

综上所述，市场上亟需开发一种固体高分子型燃料电池用催化剂及其制造方法。

发明内容

1.要解决的问题

本发明提供固体高分子型燃料电池用催化剂，其目的是为了得到一种催化性能高的催化剂。本发明还提供了上述固体高分子型燃料电池用催化剂的制备方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种固体高分子型燃料电池用催化剂，包括高比表面的载体和负载在载体上的含铂金属纳米颗粒，所述载体的表面含氧官能团量为3～10wt％。