[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料及其制备方法和应用。包覆类催化材料的制备方法为将导电聚合物单体、碳基材料、过渡金属化合物及酸溶液通过聚合反应得到载体材料；将载体材料浸渍于铂源溶液中，再加热挥发溶剂，得到前驱体材料；将前驱体材料进行热还原处理，即得包覆类催化材料。该包覆类催化材料通过在碳基材料表面包覆导电聚合物，在增强导电性的同时，增强导电聚合物与碳基载体、活性金属与载体以及载体与载体之间的相互作用，从而使得催化材料具有更多的活性位点，较高的催化活性，且在酸性环境中具有较高的稳定性，可放大生产应用于电堆。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池催化材料，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料及其制备方法，还涉及其应用方法，属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极材料制备技术领域。

背景技术

氢是一种理想的能量载体，拥有十分优异的性能，例如质量轻、能量转换效率高、无污染等。利用燃料电池将储存在氢气中的化学能转化为电能，其转换效率要比内燃机和火力发电更高。因此，氢燃料电池受到了很多汽车制造商的青睐，希望用氢燃料电池汽车代替传统内燃机汽车。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由质子交换膜、催化层、气体扩散层等零部件构成单电池组装而成。催化层是燃料电池化学能转化为电能的核心关键材料，Pt基催化剂占PEMFCs成本的近50％。另外，催化层是燃料电池的化学反应层，质子交换膜，扩散层和催化层协同合作促使反应连续性完成。催化剂影响PEMFC的稳定性、寿命和成本，是关系燃料电池扩大再生产的关键因素。

目前，国内催化剂主要依赖英国JM，日本TKK等国外贵金属产商产品。至今无法实现催化剂材料大批量国产化。为解决整个燃料电池汽车产业稳定性的核心问题，需开发高稳定性低成本的PEMFC用氧还原用电催化剂，这对提高我国燃料电池新能源产业的核心竞争力，推动燃料电池汽车产业链，具有重大战略和社会意义。与商业Pt/C催化剂相比，PtM(M＝过渡金属，如Ir,Pd,Fe等)电催化材料中过渡金属的掺杂使Pt的电子结构和催化剂表面的原子排列发生了改变，且对含氧物种的化学吸附也发生了变化，在提高催化剂活性的同时也降低了成本。但是目前铂合金催化剂在酸性体系中活性不理想，寿命并未得到实质提高，制备手段复杂不适合放大生产。

发明内容

针对现有技术中质子交换膜燃料电池用铂催化材料存在低稳定性和催化性能等问题，在一定程度上制约了燃料电池商业化大规模应用。本发明的第一个目的是在于提供一种同时具有优异催化性能和长期使用稳定性的用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种步骤简单、成本低、条件温和的制备所述用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料的方法，该方法有利于大规模生产。

本发明的第三个目的是在于提供所述包覆类催化材料在质子交换膜燃料电池中的应用，相对现有的铂催化材料具有更高的稳定性和催化活性，有利于大规模推广应用。

本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的包覆类催化材料的制备方法，其包括以下步骤：

1)将导电聚合物单体、碳基材料、过渡金属化合物及酸溶液混合均匀后，引发聚合反应，聚合反应完成后，进行离心洗涤和干燥，得到载体材料；

2)将载体材料浸渍于铂源溶液中，再加热挥发溶剂，得到前驱体材料；

3)将前驱体材料进行热还原处理，即得包覆类催化材料。