[发明专利]一种高比表面积氧还原催化剂及其在氢燃料电池中的应用

说明书

一种高比表面积氧还原催化剂及其在氢燃料电池中的应用，属于氢燃料电池应用技术领域。首先以高比表面积的N掺杂多孔碳为载体，利用多元醇还原法将金属纳米颗粒负载在载体上，得到高比表面积氧还原催化剂；之后将40％商业Pt/C和高比表面积氧还原催化剂分别作为阳极阴极，采用CCM法或者GDL法制备膜电极，最后应用到氢燃料电池中。产品应用于氢燃料电池，MEA在同等阴极低载量下达到商业Pt/C达不到的催化层厚度，在特定电压下(0.9V)具有很高的质量活性，超过2025年美国能源部制定的标准。

技术领域

本发明涉及一种高比表面积氧还原催化剂，利用其所具有的独特 的载体效应，在氢燃料电池中实现了高功率密度和高质量活性(0.9V)， 属于氢燃料电池应用技术领域。

背景技术

氢燃料电池因其高效、高可靠性和环境友好型等特点被认为是一 种有前景的可持续发展的能源系统。然而，氢燃料电池阴极上氧还原 (ORR)反应动力学迟缓，催化剂耐久性差，严重阻碍了PEMFC的 开发和商业化应用。到目前为止，Pt纳米材料仍然是最实用的ORR 催化剂，但Pt的高成本和稀缺性阻碍了其在PEMFC中的广泛应用。 降低Pt的负载，同时保留甚至提高Pt基ORR电催化剂的高催化性 能，目前的方法主要有：减小粒子尺寸，构建PtM、PtMN合金(M、 N＝Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Mo、Ru、Au等)、在载体中掺入非 金属元素(N、S、P等)，改变Pt的局部电子结构来提高催化性能和 耐久性等各种方法，但往往在特定的电压下所能达到的质量活性十分 有限。因此，研究低Pt催化剂，同时能够具备高功率密度和高质量 活性就显得尤为重要。

通过改良碳载体，优化碳载体的孔结构以及比表面积，利用其独 特的载体效应，利用孔结构对纳米颗粒的束缚作用，抑制颗粒的团簇 的与聚集，实现了在Pt含量较低的条件下，能够充分暴露活性位点, 在氢燃料电池应用技术领域有广阔的应用前景。

本发明通过使用高比表面积的N掺杂多孔碳作为载体，利用多 元醇还原法，将金属纳米颗粒负载N掺杂多孔碳中得到Pt/NC，经过 高温热解促使Pt颗粒的Pt(111)晶面的暴露，得到了Pt_A/NC。将 Pt_A/NC应用在氢燃料电池中。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中， 在阴极载量为0.03mg_Pt/cm²时0.9V处的质量活性达到了1.63A/mg_Pt， 功率密度达到了0.84W/cm²，在背压为150kPa下，0.9V处的质量活 性也达到了1.1A/mg_Pt，远远超过2025年美国能源部的标准(150kPa 下，0.9V处的质量活性达到0.44A/mg_Pt)。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题针对上述技术现状，提供一种 适用于燃料电池的高比表面积氧还原催化剂，所得催化剂比表面积不 低于1800m²/g，其中2-50nm的介孔占比大于50％，并将其应用在氢 燃料电池中，降低了催化剂的用量即在降低催化剂层的厚度的情况下 同时具有优异的性能。

将制备的高氧还原催化剂应用到氢燃料电池中，尤其用于质子交 换膜燃料电池中(PEMFC)，选用40％商业Pt/C作为阳极催化剂，制 备的高比表面积氧还原催化剂作为阴极催化剂，采用CCM法或者 GDL法制备膜电极，之后在氢燃料电池中测试。在H₂/O₂体系下，阴极载量为0.03mg_Pt/cm²时，背压为250kPa，0.9V处的质量活性达到 了1.63A/mg_Pt，功率密度达到了0.84W/cm²；在背压为150kPa下， 0.9V处的质量活性也达到了1.1A/mg_Pt，远远超过2025年美国能源 部的标准(150kPa下，0.9V处的质量活性达到0.44A/mg_Pt)。

制备方法：