[发明专利]燃料电池的表面改性蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池

说明书

本发明公开了一种燃料电池的表面改性蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池，该制备方法包括以下步骤S1、采用直径为1‑4000nm的纳米颗粒作为基底材料，对‑基底材料进行预处理；S2、采用化学气相沉积法在‑基底材料上沉积导电金刚石薄膜，即形成蓝钻催化剂；S3、对‑蓝钻催化剂进行使其具有疏水特性或增强其吸氢性能的表面改性处理，得到表面改性蓝钻催化剂。本发明的制备方法制备得到的表面改性蓝钻催化剂的性能优越，将经过表面改性处理后具有疏水特性或吸氢吸能增强的表面改性蓝钻催化剂分别应用于燃料电池的阴极或阳极，都可大大提高其催化效率，因此本发明的表面改性蓝钻催化剂能够很好地取代铂催化剂成为燃料电池的催化剂，有利于燃料电池的大规模应用。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，尤其涉及一种燃料电池的表面改性蓝钻催化剂及制备方法和燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉·罗泊特·格鲁夫(William Robert Grove)提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。

PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：

1)氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子。

2)氢离子穿过电解质(质子交换膜)到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。

3)在电池另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

金属铂是燃料电池常采用的一种电催化剂，它的d电子轨道未填满，表面易吸附反应物，因此铂无论对阳极氢气的氧化反应还是对阴极氧气的还原反应，均有着很高的催化活性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，是最重要的催化剂材料。然而全球的Pt族金属储量仅为71000吨且无法人造，Pt的稀缺和高昂的价格严重限制其商业化应用以及燃料电池的大规模应用。而且Pt/C层作为阴极催化层，在醇类燃料中易被氧化导致CO中毒，使其无法应用于醇类燃料电池，因此对于非Pt催化剂的研究具有十分重要的实际意义。

蓝钻是最稀有的钻石，它在天然钻石中含量不到千分之一，且由于含有硼元素而具有导电性能，因此又称为导电金刚石。蓝钻集多种优异性能于一身，它是自然界中硬度最高的材料，拥有优秀的热传导性能，以及无可比拟的抗化学腐蚀、抗辐射能力，拥有最宽的电化学窗口。目前，蓝钻可通过CVD人造钻石生长技术制造生产，因此蓝钻是代替铂成为燃料电池催化剂的最佳选择。然而，由于蓝钻催化剂的蓝钻薄膜表面活性问题，当其应用于燃料电池的阴极时，因水容易黏附于它的表面而阻挡其与氧气接触，从而降低了催化效率，降低氧气与氢离子的反应速率；当其应用于燃料电池的阳极时，因其吸氢性能不足而影响了其与氢气的接触程度，从而降低了催化效率。目前还没有研究出很好的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池的表面改性蓝钻催化剂及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种燃料电池的表面改性蓝钻催化剂，包括以下步骤：