[发明专利]碳载铂纳米催化剂及其制备方法、催化剂层、质子交换膜燃料电池

说明书

一种碳载铂纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：提供强碱、含氯铂源、碳载体、及水，所述强碱和含氯铂源的摩尔比为3～10：1；混合所述强碱、含氯铂源、碳载体、及水，得到pH值为11～14的分散液；对所述分散液进行干燥处理，得到碳载铂前驱体粉末；及将所述碳载铂前驱体粉末置于还原性气体中，进行加热处理，得到碳载铂纳米催化剂，所述碳载铂纳米催化剂包括碳载体、和均匀且分散地锚定于所述碳载体上的铂纳米颗粒。本发明还提供一种碳载铂纳米催化剂、催化剂层、及质子交换膜燃料电池。本发明提供的碳载铂纳米催化剂的制备方法具有工艺简单、成本低、无污染、生产效率高、催化效率高、铂载量高、表面洁净、铂纳米颗粒分散性佳的优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种碳载铂纳米催化剂，所述碳载铂纳米催化剂的制备方法，应用所述碳载铂纳米催化剂的催化剂层，及应用所述催化剂层的质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以氢气为燃料，利用电化学反应将氢气和氧气中储存的化学能直接转化为电能，具有能量密度高、续航里程长、清洁环保、于室温下可快速启动等突出特点，在汽车领域有着大规模的应用前景，被认为是21世纪最理想的新能源技术。PEMFC包括催化层、质子交换膜、气体扩散层和双极板等。PEMFC的工作原理是氢气通过阳极气体扩散层到达阳极催化层，在催化剂的作用下发生阳极氧化反应生成H⁺和e^-；反应生成的H⁺通过质子交换膜扩散至阴极氧气端，电子通过外电路到达阴极；氧分子通过气体扩散层到达阳极催化层，在催化剂的作用下与H⁺和e^-发生阴极还原反应生成H₂O。由于氧还原反应的动利学十分缓慢，需要使用大量的铂催化剂加速电化学反应的进行，这极大地限制了PEMFC的商业化应用。催化阳极氢气还原反应(HOR)和阴极氧气还原反应(ORR)中普遍采用的铂催化剂为碳载铂纳米催化剂。因此，低成本、高性能的碳载铂纳米催化剂的规模化制备是质子交换膜燃料电池实际应用中的重要挑战。

为提高贵金属铂的利用率，并减小电池的浓差极化，在保证高载量(铂金属载量需大于20％)的同时，还需严格控制铂金属的粒径大小(需不大于5nm)和高度的颗粒分散性。催化剂的制备方法影响着催化剂的尺寸、形貌及分散情况，进而决定着催化剂的催化性能。现有碳载铂纳米催化剂的制备方法很多，主要为液相还原法和固相还原法。并且，含氯铂源，尤其是氯铂酸，是目前成本最低、是用最广泛的铂前驱体之一。

液相还原法是将铂前驱体和碳载体在溶液中混合，加入还原剂后，铂前驱体在液相被还原为铂纳米颗粒并吸附在碳载体表面，经过滤、干燥得到碳载铂纳米催化剂。然而，在液相还原法中，往往需要加入表面活性剂或使用有机溶剂来避免铂纳米颗粒团聚。其中，表面活性剂不仅会降低碳载铂纳米催化剂的催化性能，还需要通过热处理、洗涤等方法去除，导致液相还原法具有工艺复杂、成本高昂、对环境有污染、生产效率低、催化效率低、且表面活性剂难以彻底去除的缺点。具体的，通常需要大量的水性或有机溶剂以及相应的过滤、清洗、干燥等复杂步骤来去除表面活性剂。辛勤等(公开号为CN1428882A)公开一种质子交换膜燃料电池电极催化剂的制备方法，包括以下步骤：混合溶剂(可为C2到C8的二元醇、三元醇中的一种或多种)、还原剂、铂前驱体、及碳载体，调节混合溶液的pH至碱性，在一定温度下还原铂前驱体，再经过滤、洗涤、济干燥后得到碳载铂纳米催化剂。该质子交换膜燃料电池电极催化剂的制备方法使用了大量粘度较高的有机多元醇作溶剂，过滤效率低，且产生大量的多元醇有机废液，对环境有污染性，不利于规模化生产。