[发明专利]一种适用于质子交换膜燃料电池的大孔隙率催化层

说明书

本发明提供设计了一种在质子交换膜燃料电池中使用的具有大孔隙率超薄催化层，属于质子交换膜燃料电池膜电极催化层技术领域。催化剂包括纳米多孔金以及化学修饰的其他催化元素，例如铂，钯等；通过真空磁控溅射和脱合金的方法得到具有大孔隙率超薄催化层，有效缓解了质子交换膜燃料电池催化层中的水管理问题，显著提高了质子交换膜燃料电池的放电功率密度及耐久性，为提高质子交换膜燃料电池性能提供了新思路。

技术领域

本发明属于燃料电池膜电极催化层技术领域，涉及到质子交换膜燃料电池自支撑的大孔隙率催化层及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是利用氢气和空气为燃料，通过电催化反应为清洁的电动汽车提供动力。因具有绿色清洁、启动速度快、能量转换效率高等优点，展示出广阔的市场应用前景。然而，质子交换膜燃料电池的商业化受到一些因素的限制。其中催化层中的水管理是质子交换膜燃料电池面临的最重要问题之一。当燃料电池在高电流密度运行时，如果阴极产出的水不能及时排出，膜电极催化层中将发生水淹，阻碍氧气进入催化剂层发生反应，当电池内部的液态水积累到一定程度时，气体扩散通道阻塞，电流密度会明显地降低，即导致PEMFC性能降低。电池长时间水淹会导致负载型催化剂碳载体腐蚀，降低电池寿命。因此，催化层中水管理对PEMFC的性能起着至关重要的作用。根据电池不同使用环境，合理设计催化层结构来制定有效的排水方式是质子交换膜燃料电池高效稳定且长寿命运行的关键。

自支撑的纳米多孔金(Nanoporous gold,NPG)是一种由纳米尺度韧带和孔道组成的金属功能材料。具有优异的导电性、高比表面积和曲率依赖的韧带结构与碳负载型催化剂相比，NPG基底具有高度的耐腐蚀性，这主要得益于形成的强金属键而不是铂/碳型催化剂中存在的弱物理吸附来稳定催化剂表面的活性位点。自支撑NPG电极的厚度可以控制到几十纳米，作为一类非碳电极材料在质子交换膜燃料电池应用中已展现出独特的应用潜力。

然而NPG在实际放电过程中并没完全发挥出其结构优势，主要是因为其较小的孔隙率，目前常使用的造孔方法主要包括：溶胶凝胶法，化学气相沉积法，化学蚀刻法，纳米印刻法，模板法，自组装等，但是这些方法既昂贵又繁琐。

发明内容

本发明将制备一种在质子交换膜燃料电池中应用的具有大孔隙率催化层。该大孔隙率催化层结构通过对脱合金条件的有效调整，提高了金银合金薄膜的孔隙率，缓解了质子交换膜燃料电池的水管理问题，提高电池耐久性。本发明方法简单、能够精确控制且实用有效，提高了催化剂的电池放电功率密度及耐久性，为设计新型大孔隙率催化层提供了新的思路。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明首先提供了一种适用于质子交换膜燃料电池的大孔隙率催化层，采用真空磁控溅射获得金银合金，能够增加金银合金的均匀性，并提高薄膜中银的含量，有利于脱合金形成均匀孔道，且有效增大孔隙占比，孔隙率显著增大，利于催化反应过程中阴极水管理。孔道平均直径为30～50nm。所述薄膜金属金表面还具有Pt修饰。

本发明还提供了上述超薄微纳结构催化层的制备方法，首先采用真空磁控溅射获得金银合金薄膜，然后对金银合金薄膜进行脱合金，再将脱合金后的金薄膜进行电镀修饰Pt，得到具有微纳结构的催化层NPG-Pt。

具体的，所述制备方法过程包括如下步骤：

(2)采用真空磁控溅射，以金银合金为靶材，在铝膜上溅射沉积形成均匀的200-800nm厚的含银50％-60％的金银合金薄膜；

(2)取金银合金薄膜于30℃～60℃在67％浓硝酸中脱合金40min～120min，用超纯水清洗后得到NPG；

(3)通过标准三电极体系，将NPG捞在铜片上，放入含Pt镀液中进行电镀，得到Pt载量为20μg～40μg的NPG-Pt；