[发明专利]质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂及其制备方法，将铵盐和炭载体按0.02～0.20:1的质量比混合均匀，焙烧，获得改性炭载体；将所述改性炭载体与含铂溶液混合，获得混合液；用氨水调节所述混合液的pH值至5.0‑9.0，超声处理后，将混合液倒入反应釜，再向反应釜内通入惰性气体，当反应釜内氧气浓度低于0.1vol％时，加热升温至70‑150℃，然后向反应釜内通入氢气，以200‑500rpm的速率搅拌30‑90min后，停止加热和搅拌，待反应釜内温度降低至50℃以下时，停止通入氢气并向反应釜内通入惰性气体置换氢气，当氢气置换完全后，固液分离，醇洗、干燥，获得铂炭催化剂。本发明制备的铂炭催化剂的电化学性能优异，电化学活性面积明显高于现行市场上流行的铂炭催化剂。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂及其制备方法，属于催化剂领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可将燃料的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、工作温度低、原料及产物清洁等优点，被视为当前最理想的新能源技术之一。然而，其发展面临的关键问题是阴极的氧气还原反应(ORR)速率与阳极的氢气氧化反应速率不匹配的问题，其解决办法提高燃料电池催化剂的反应活性，从而加速阴极ORR反应速率。Pt系金属由于其出众的催化效果成为目前氧气还原反应应用中最主要的催化剂，但如何更好地提高其催化活性、保持其长效稳定性是当前的研究热点。

目前，铂炭催化剂的制备方法主要有浸渍法、胶体法、原子层沉积法(邢巍,杜秉忱,刘长鹏,等.聚合物电解质膜燃料电池铂/炭电催化剂的制备方法:中国,1452261A[P].2003-10-29；杨书廷,曹朝霞,张焰峰.质子交换膜燃料电池(PEMFC)新型纳米稀土催化剂的制备与性质[J].无机材料学报,2004,19(4):921-925.)。其中，浸渍法是一种目前较为常用制备催化剂方法。基于表面张力产生的毛细管压力促使含Pt前驱体的液体渗透到毛细管内部以及吸附在载体表面。该方法制备的Pt纳米粒子分散较均匀，但不易控制负载量。所谓的胶体法是指把金属前驱体溶液配制成沉淀状或胶状，然后吸附在载体上。胶体法制得的催化剂晶粒尺寸较小，能达到1.5～3.0nm，分散比较均匀。但水解过程中，溶液的pH值及陈化时间对胶体的形成、颗粒的大小和胶体的稳定性都有较大的影响。原子层沉积是一种改进的化学气相沉积技术，该技术利用蒸发前驱体在循环中交替暴露引起的自限制表面反应来沉积材料，材料的厚度具有高纵横比和亚纳米级精度。但在原子沉积过程会导致致密薄膜的形成，使某些反应化学会导致生长表面上孤立岛的形核，随着循环次数的增加而增大，并最终合并成薄膜。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种电化学活性更为优良的质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将铵盐和炭载体按0.02～0.20:1的质量比混合均匀，于空气气氛下在220-400℃焙烧2-4h，水洗，干燥，获得改性炭载体；

S2、将所述改性炭载体与含铂溶液混合，获得混合液；

其中，所述含铂溶液中铂的浓度为0.30～10g/L；所述混合液中，铂与改性炭载体的质量比为1:1-9；

S3、调节所述混合液的pH值至5.0-9.0，超声处理0.5-3h后，将混合液倒入反应釜，再向反应釜内通入惰性气体，当反应釜内氧气浓度低于0.1vol％时，加热升温至70-150℃，然后向反应釜内通入氢气，控制反应釜内氢气分压为0.3～0.8MPa，并以200-500rpm的速率搅拌30-90min后，停止加热和搅拌，待反应釜内温度降低至50℃以下时，停止通入氢气并向反应釜内通入惰性气体置换氢气，当氢气被置换完全后，固液分离，醇洗、干燥，获得铂炭催化剂。

优选地，S1中，采用纯水进行水洗。