一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用技术

本发明专利技术提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，将金属钴和铁与多孔碳材料复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层，使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频磁场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，提高了催化剂活性。本发明专利技术提供上述方法克服了采用大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，实现了催化性能基本与铂一致，大幅降低现有铂催化剂的成本，整个过程避免了高温煅烧高能耗的处理方式，无废气排放，满足节能环保要求，为提高非铂催化剂催化活性提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用
本专利技术涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用。
技术介绍
由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuelcell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC))是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。PEMFC主要由端板、双极板和膜电极等部件构成。膜电极是PEMFC的核心部件，主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成。其中，位于质子交换膜两侧的催化层主要进行反应物的传输、反应物在电化学活性位的界面反应、质子和电子传导以及反应产物的排出等重要过程，是PEMFC进行电化学反应的重要场所。催化层一般使用贵金属，主要使用在高的电位下稳定且活性高的铂，其阴极氧还原反应需要大量贵金属铂作为催化剂，但是，铂价格高，而且资源量有限，从而增加了相关部件的制造成本，限制了该技术的商业化。因此开发非铂催化剂对推动质子交换膜燃料电池的低成本应用意义重大。然而，质子交换膜燃料电池的运行温度一般不超过100℃，在此温度下，多数过渡金属对氢和有机小分子的催化氧化活性都很低，因此提升非铂催化剂的活性是关键。中国专利技术专利申请号201010522823.2公开了一种M/N-C催化剂及其制备和应用，采用钴盐与聚吡咯(PPy)直接浸渍，使Co与PPy上的N作用形成催化中心后，直接高温热处理该样品使得PPy发生热分解形成碳骨架，该碳骨架直接作为新型催化剂的碳载体以增强催化剂的导电性。虽然聚吡咯碳化之后能提供给催化粒子Fe、Co、Ni更大的比表面积，但是上述方法制备过程繁琐、影响因素多，聚吡咯碳化过程需要高温处理，并且需要惰性气体保护防止催化粒子氧化，催化剂活性无法满足燃料电池实际应用要求。中国专利技术专利申请号201210440582.6公开了一种质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂及其制备方法，包括三聚氰胺甲醛树脂的制备反应，然后加入金属盐，三聚氰胺甲醛树脂和金属盐之间发生络合反应，形成络合物，将溶剂蒸发后，经热处理分解，即生成具有空心球型结构的质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂。但三聚氰胺甲醛树脂导电性差，使催化剂的导电性降低，与上述方案类似，空心球型结构的制备也同样无法避免对有机物的高温热处理，随之产生的复杂成分有害气体的产生，不利于达到节能环保要求。目前质子交换膜燃料电池非铂催化剂普遍通过选取活性元素替代Pt，通过制备比表面积大的结构负载非铂活性元素，从而提高非铂催化剂的活性，但是载体制备过程繁琐、影响因素多，催化剂的活性无法得到保证，此外需要800℃以上高温处理，无法达到节能环保要求。
技术实现思路
针对大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，本专利技术提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，不需要对载体进行高温处理，从而大幅降低现有铂催化剂的成本，催化性能基本与铂一致。为解决上述问题，本专利技术采用金属钴粉和金属铁粉作为活性材料，多孔碳材料作为载体，具体制备步骤如下：（1）按质量份称取纯金属钴粉2-5份、金属铁粉6-15份和多孔碳材料18-30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；（2）称取共纺高分子聚合物粉体20-25份，加入溶剂40-55份进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20-23份，高速搅拌分散，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；（3）将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节推进速度为1-200mL/h，调节工作电压为25-50kV，控制电纺时间为5-25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层。（4）将沉积催化剂层的多孔磁致伸缩面板放入60-120℃的烘箱中，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。优选的，所述金属钴粉的粒径为50-300nm，所述金属铁粉的粒径为50-200nm，所述多孔碳材料为石墨烯泡沫、碳纳米管和碳气凝胶中的一种，所述多孔碳材料的孔径为5-50nm，粒径为10-100μm。优选的，所述球磨机的转速控制在1200-3000rpm，采用不锈钢球磨介质，介质球的直径为1-5mm。优选的，所述共纺高分子聚合物纳米纤维直径50-250nm，所述共纺高分子聚合物粉体为聚偏氟乙烯／聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯／聚氨酯、聚偏二氟乙烯／六氟丙烯、聚苯胺／聚苯乙烯、聚苯胺／聚环氧乙烷、聚苯胺／聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion／聚偏氟乙烯、Nafion／聚四氟乙烯、Nafion／聚环氧乙烷、Nafion／聚乙烯醇中的一种。优选的，所述溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇或丙三醇中的一种或两种以上的混合。优选的，所述高速搅拌的速度为500-2000rpm。优选的，所述多孔磁致伸缩面板为金属磁致伸缩材料或铁氧体磁致伸缩材料，面板孔径为10-500μm。优选的，所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层厚度为0.5-2μm。优选的，所述烘箱中的气压控制在20-80kPa。优选的，作为质子交换膜燃料电池阴极氧还原催化剂，在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，使催化剂不断拉伸和压缩，提高催化剂活性。针对大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，本专利技术提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，将金属钴和铁与多孔碳材料（石墨烯泡沫、碳纳米管、碳气凝胶）复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层。使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频电场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，提高催化剂活性。显著的优势是：采用磁致伸缩，使由碳固定的金属钴和铁不断发生微小挤压和拉伸，从而保持催化剂在低温时的活性。该催化性能基本与铂一致，能够大幅降低现有铂催化剂的成本，降低了对贵金属资源的依赖。将本专利技术制备的非铂催化剂与Pt催化剂进行测试，在催化效率等方面具有明显优势，如表1所示。表1：本专利技术Pt催化剂Fe/Co/Ni催化剂CO/H2催化量mg·g-123-4130-4012-17催化效率%45-5648-5515-20成本低廉高昂低廉本专利技术提供一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及应用，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本专利技术提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及应用，采用磁致伸缩技术，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，采用金属钴粉和金属铁粉作为活性材料，多孔碳材料作为载体，具体制备步骤如下：（1）按质量份称取纯金属钴粉2‑5份、金属铁粉6‑15份和多孔碳材料18‑30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；（2）称取共纺高分子聚合物粉体20‑25份，加入溶剂40‑55份进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20‑23份，高速搅拌分散，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；（3）将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节推进速度为1‑200mL/h，调节工作电压为25‑50kV，控制电纺时间为5‑25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层。（4）将沉积催化剂层的多孔磁致伸缩面板放入60‑120℃的烘箱中，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，采用金属钴粉和金属铁粉作为活性材料，多孔碳材料作为载体，具体制备步骤如下：（1）按质量份称取纯金属钴粉2-5份、金属铁粉6-15份和多孔碳材料18-30份，均匀混合后，得到钴铁金属活性材料，再与所述多孔碳材料一起加入球磨机中，经过高速球磨复合，得到多孔碳材料/钴铁金属复合材料；（2）称取共纺高分子聚合物粉体20-25份，加入溶剂40-55份进行稀释搅拌，再加入多孔碳材料/钴铁金属复合材料20-23份，高速搅拌分散，配制成混合均匀的电纺聚合物浆料；（3）将所述电纺聚合物浆料加入静电纺丝装置注射泵腔室，将所述的多孔磁致伸缩面板固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节推进速度为1-200mL/h，调节工作电压为25-50kV，控制电纺时间为5-25分钟，在所述多孔磁致伸缩面板上沉积形成催化剂层。（4）将沉积催化剂层的多孔磁致伸缩面板放入60-120℃的烘箱中，烘干30min，将溶剂蒸干，得到非铂催化剂的质子交换膜。2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述金属钴粉的粒径为50-300nm，所述金属铁粉的粒径为50-200nm，所述多孔碳材料为石墨烯泡沫、碳纳米管和碳气凝胶中的一种，所述多孔碳材料的孔径为5-50nm，粒径为10-100μm。3.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂，其特征在于，所述球磨机的转速控制在1200-3000rpm，采用不锈钢球磨介质，介质球的直径为1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51