[发明专利]一种磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：准备碳材料，并对所述碳材料进行磺化处理；在磺化后的碳材料上负载Pt或PtM合金，即可得到所述磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂；在磺化后的碳材料上负载铂具体包括以下子步骤：将多元醇、H₂PtCl₆、磺化后的碳材料、以及NaOH超声分散在反应容器中，在Ar鼓泡0.5h后，将混合物在125‑145℃下回流3‑5h；将回流后的溶液调节pH至2‑3，然后在60‑90℃保温6‑16h；对保温后的反应物进行过滤、洗涤、真空干燥，得到所述电催化剂。本发明制备得到的催化剂有利于构建电子转移和质子传输更便捷、物料输运更通畅以及三相反应界面更优化的催化层，从而提高催化剂的利用率和电池性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池车因其具有零污染(产物只有超纯水)、续航里程长(与一箱汽油的行驶里程相当)、加氢速度快(3～5分钟)、操作温度范围宽及超静低音等优点，而具有良好的发展前景。目前，燃料电池汽车的商业化主要受制于高昂成本，主要原因之一是燃料电池所采用的催化剂是铂炭催化剂。一辆燃料电池汽车大约消耗25克铂，铂为地球上的稀有资源。因此，铂催化剂占据了电堆成本的很大比例，以每年生产50000套燃料电池计算，催化剂的成本几乎为电堆成本的一半。大规模生产时，要求每辆车的铂消耗量必须降至5克甚至更低。目前，降低催化剂成本的主要办法有两种：

第一种是开发出贵金属替代的催化剂，最有前景的就是现在广泛研究的Fe-N-C氧还原反应催化剂。该类催化剂在碱性燃料电池中表现出很高的催化活性和稳定性，但空气中的二氧化碳会造成电解液变质而影响电池性能，现阶段高效的碱性电解质膜正在努力开发中。而该类催化剂在酸性条件下催化活性还有待提高，目前尚不能满足于燃料电池对催化剂活性的要求。因此，贵金属替代催化剂离大规模应用还有待进一步研发。

降低催化剂成本的另一种办法是进一步提高铂的利用率，从而降低Pt的使用量。现阶段燃料电池车使用的是炭载铂(Pt/C)催化剂，将一定比例的催化剂、Nafion溶液和有机溶剂超声分散混合后，通过直接涂在气体扩散层上(喷涂方法)或用喷枪喷在聚四氟乙烯膜上，通过转压(Decal)方法制作催化层。喷涂法往往造成电子和质子传输路径较长，尤其是对质子的传输非常不利。如果Nafion添加量小，不少催化剂活性物质反应产生的氢质子无法通过连续的传输通道到达质子交换膜Nafion膜，造成那些活性物质的实际贡献为零；如果使用Nafion量过大，势必造成部分催化剂活性位被Nafion树脂溶液固化后形成的膜覆盖，使反应物气体(氢气和氧气)无法接触催化剂活性组分，电化学反应无法进行，也将造成催化剂活性物质的实际贡献为零。转压法是将催化剂与Nafion溶液混合制成浆液后喷涂在聚四氟乙烯薄膜上，然后直接转压在Nafion膜上。该种方法能够最大限度地保证催化剂和Nafion固化颗粒的直接接触，但也不可避免会造成很多催化剂活性物质被Nafion覆盖以及电子传输通道被阻断，形成所谓的孤岛状催化剂。基于以上原因，在催化层中贵金属铂的实际利用率很低，大约为铂含量的20％左右。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂的制备方法，包括以下步骤：准备碳材料，并对所述碳材料进行磺化处理；在磺化后的碳材料上负载Pt或PtM合金，即可得到所述磺化碳材料负载的Pt/PtM电催化剂。

作为优选，所述碳材料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米球中的任意一种；所述PtM合金中的M为铁、钴、镍、铜中的任意一种或多种。

作为优选，所述碳纳米纤维通过以下步骤合成得到：