[发明专利]碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池

说明书

本申请提供了碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池，制备方法包括：将金属前驱体溶液与高分子化合物进行混合处理，高分子化合物形成纤丝状，得到混合体系A；将混合体系A与碳载体进行混合处理，至少使高分子化合物部分缠绕于碳载体的表面，得到固液混合体系B；将固液混合体系B进行减压蒸发处理，得到粘稠浆料C；将粘稠浆料C进行干燥处理，得到负载有金属前驱体的碳载体D；将碳载体D置于还原气氛中进行还原处理和/或在惰性气氛中进行热处理，得到碳载金属催化剂。采用高分子化合物缠绕碳载体表面，提高碳载体的浸润性，使金属前驱体盐均匀吸附及析出在碳载体的表面，增加金属载量，提高金属在碳载体中的稳定性。

技术领域

本申请属于电池材料技术领域，更具体地说，是涉及碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效的能量转化装置，相比于传统的一次或者二次电池，燃料电池具有更高的能量密度、更快的充能速度；与传统热机相比，燃料电池的能量转化率远高于传统热机。而且在燃料电池里，燃料直接转化为“清洁”的燃烧产物，如水、二氧化碳等，几乎没有硫化物与氮氧化合物的排放，属于清洁能源。

催化剂材料是燃料电池的关键材料，其中，铂金基催化剂因其优异的电子性质，被广泛认为是直接燃料电池中最重要的阳极催化剂。虽然铂金基催化剂具有优异的催化效果，但同时也存在电催化稳定性差、成本高等问题。提高催化剂中的铂利用率，增强催化剂的稳定性和抗中毒能力，降低燃料电池成本的根本途径之一。

为提高Pt的利用率,通常将Pt负载在碳载体材料上，以提高Pt的分散性，同时碳载体和碳团聚体上存在的孔道结构能够有效改善燃料电池催化层中反应物与产物的传质，提高燃料电池的性能。为了降低催化层厚度，减少传质阻力，燃料电池一般采用金属载量较高(40wt％以上)的碳载催化剂。

目前常用的碳载金属催化剂的制备方法为浸渍法，传统浸渍法(impregnation)的基本原理是利用载体的吸附作用，将金属前驱体吸附于载体。具体做法是将载体分散于含有金属前驱体的液体或气体中，载体吸附满单层(或者不满单层)金属前驱体达到浸渍平衡，然后除去液体或气体，再进行干燥、焙烧、活化等。

传统浸渍法在制备汽车尾气三元催化剂或者石油气转化催化剂等有着成功应用，这种浸渍法主要适合于制备载量较低(5％)的催化剂。以传统浸渍法制备高载量(40％-80％)燃料电池催化剂时，面临两个问题：

一、由于金属催化剂载量较低，碳载体表面无法靠平衡吸附担载足够量的金属前驱体；

二、由于燃料电池载体一般具有较高的石墨化程度，表面呈现疏水状态，其与金属前驱体溶液之间的浸润性较差，阻碍了浸渍过程中金属前驱体溶液进入碳载体与碳团聚体的孔道结构，使得金属前驱体盐不能均匀吸附以及析出在碳载体表面。

这些问题导致了以传统浸渍法制备高载量催化剂的碳载金属催化剂的催化性能和稳定性较低。

发明内容

基于此，本申请的一个目的是提供一种碳载金属催化剂的制备方法，以解决现有技术中存在的传统浸渍法制备的碳载金属催化剂中金属催化剂的载量较低、金属前驱体盐不能均匀吸附以及析出在碳载体表面，导致碳载金属催化剂的催化性能和稳定性较低的技术问题。

本申请的又一目的是提供一种碳载金属催化剂。

本申请的再一目的是提供一种燃料电池。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

一种碳载金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将金属前驱体溶液与高分子化合物进行混合处理，高分子化合物形成纤丝状，得到混合体系A；

将混合体系A与碳载体进行混合处理，至少使高分子化合物部分缠绕于碳载体的表面，得到固液混合体系B；