燃料电池用催化剂的制备方法和由此制备的燃料电池用催化剂技术

本说明书涉及一种燃料电池用催化剂的制备方法和使用该制备方法制备的燃料电池用催化剂，所述制备方法包括：第一负载；分离在所述第一负载中未负载的粒子；热处理；和第二负载。

Preparation method of catalyst for fuel cell and catalyst for fuel cell prepared therefrom

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池用催化剂的制备方法和由此制备的燃料电池用催化剂
本申请要求于2017年9月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0120359的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本说明书中。本公开涉及一种燃料电池用催化剂的制备方法和使用该制备方法制备的燃料电池用催化剂。
技术介绍
燃料电池作为一种能够代替化石能源的清洁能源，是一种通过电化学反应将包含在诸如甲醇、乙醇和天然气的碳氢类物质中的氢和氧的化学能直接转化为电能的发电系统。燃料电池的典型实例可以包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)或使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)等，在PEMFC或DMFC中影响性能的是膜-电极组件(MEA)。MEA由包含氢离子传导聚合物的固体聚合物电解质膜和由其隔开的两个电极形成，这两个电极称为阳极(称为“氧化电极”或“燃料电极”)和阴极(称为“还原电极”或“空气电极”)。阳极和阴极包含用于激活反应的电极催化剂，电极催化剂通常在将金属纳米粒子负载在载体上时使用，因此，增加负载率是一个重要挑战。
技术实现思路
技术问题本公开旨在提供一种燃料电池用催化剂的制备方法和使用该制备方法制备的燃料电池用催化剂。技术方案本说明书的一个实施方案提供一种燃料电池用催化剂的制备方法，包括：在载体上形成聚合物层；通过将金属纳米粒子负载在形成有聚合物层的载体上来制备载体-纳米粒子复合材料的第一负载；分离在所述第一负载中未负载的粒子；热处理所述载体-纳米粒子复合材料；和将分离的未负载的粒子负载在热处理后的载体-纳米粒子复合材料上的第二负载。本说明书的另一实施方案提供一种使用所述制备方法制备的燃料电池用催化剂。本说明书的另一实施方案提供一种膜-电极组件，包括：包含所述燃料电池用催化剂的电极催化剂层；和电解质膜。本说明书的另一实施方案提供一种包括所述膜-电极组件的燃料电池。有益效果根据本公开的燃料电池用催化剂的制备方法，即使使用具有小比表面积的载体也可以维持高的负载率。另外，根据本公开的燃料电池用催化剂的制备方法，可以实现高负载率和均匀负载两者。此外，根据本公开的燃料电池用催化剂的制备方法，可以减少金属前体的使用量，并且可以节省工艺成本和时间。附图说明图1使用模拟图示出了根据本说明书的一个实施方案的燃料电池用催化剂的制备方法；图2示出了实施例1中制备的催化剂的透射电镜(以下称为TEM)图像；图3示出了实施例2中制备的催化剂的TEM图像；图4示出了实施例3中制备的催化剂的TEM图像；图5示出了实施例4中制备的催化剂的TEM图像；图6示出了比较例1中制备的催化剂的TEM图像；图7示出了比较例2中制备的催化剂的TEM图像；图8示出了比较例3中制备的催化剂的TEM图像；图9示出了比较例4中制备的催化剂的TEM图像；图10示出了实施例5中制备的催化剂的TEM图像；图11示意性地示出了本领域中使用的燃料电池。[附图标记]60：堆叠体70：氧化剂供应单元80：燃料供应单元81：燃料罐82：泵具体实施方式在本说明书中，特定部分“包括”特定构成的描述表示还可以包括其它构成，并且除非相反地特别指出，否则不排除其它构成。在本说明书中，特定构件放置在另一构件“上”的描述不仅包括一个构件与另一构件邻接的情况，还包括在两个构件之间存在又一构件的情况。在下文中，将描述本公开的优选实施方案。然而，本公开的实施方案可以修改为各种其它形式并且本公开的范围不限于以下描述的实施方案。另外，提供本公开的实施方案是为了向本领域普通技术人员更充分地描述本公开。本说明书的一个实施方案提供一种燃料电池用催化剂的制备方法，包括：在载体上形成聚合物层；通过将金属纳米粒子负载在形成有聚合物层的载体上来制备载体-纳米粒子复合材料的第一负载；分离在所述第一负载中未负载的粒子；热处理所述载体-纳米粒子复合材料；和将分离的未负载的粒子负载在热处理后的载体-纳米粒子复合材料上的第二负载。如本领域中使用多元醇方法在载体上负载粒子具有当溶液中的OH-浓度高时，由于静电排斥，粒子负载困难的问题。鉴于上述情况，也使用通过加入酸强制负载的方法，然而，这也存在当使用具有低比表面积的载体时，由于粒子之间的聚集而难以均匀地负载粒子的问题。同时，通过使用两步负载方法，根据本公开的燃料电池用催化剂的制备方法能够在维持均匀负载形状的同时达到目标负载率，因为该制备方法通过在第一负载之后热处理来诱导负载粒子之间的聚集，并且在没有聚集的情况下，能够进一步将在第一负载中未负载的粒子负载在通过聚集另外得到的负载位置上。具体地，即使使用比表面积小的载体(例如100m2/g以下)，也可以得到达到95％以上的负载实现率(与目标负载率相比的实际负载率)的优点。根据本说明书的一个实施方案，金属前体的量根据目标负载率而变化，并且实际负载率由此变化，因此，可以将负载实现率保持在恒定水平。具体地，可以调节金属前体的量，以使“目标负载率”和“金属重量相对于载体重量和金属重量之和”(金属重量/(载体重量+金属重量))相同。金属重量是指金属前体中的金属重量而不是金属前体的重量。根据本说明书的一个实施方案，所述碳载体可以是碳类载体，并且作为碳类载体，可以使用选自炭黑、碳纳米管(CNT)、石墨、石墨烯、活性炭、中孔碳、碳纤维和碳纳米线中的一种或多种类型。根据本说明书的一个实施方案，所述载体的比表面积(BET)可以为100m2/g以下，具体地为90m2/g以下。这表示当使用本公开的制备方法时，也可以使用具有小的比表面积的载体。根据本说明书的一个实施方案，在载体上形成聚合物层可以通过将包含含有吡啶基和胺基中的至少一个或多个的聚合物的聚合物溶液涂覆在载体上来进行。具体地，在载体上形成聚合物层可以通过将包含聚(4-乙烯基吡啶)或聚(烯丙胺盐酸盐)的聚合物溶液涂覆在载体上来进行。根据本说明书的一个实施方案，所述聚合物各自的重均分子量可以大于或等于500g/mol且小于或等于1,000,000g/mol。具体地，重均分子量可以各自大于或等于1,000g/mol且小于或等于100,000g/mol。根据本说明书的一个实施方案，所述聚合物层可以设置在载体表面的一部分或全部上。聚合物层可以设置在碳载体表面的50％至100％的区域上，具体地，聚合物层可以设置在75％至100％的区域上。根据本说明书的一个实施方案，当在载体上形成聚合物层时，由于存在于聚合物层中的N在负载金属纳米粒子时起到锚定位置的作用，因此可以确保稳定性和分散性。作为形成聚合物溶液时的溶剂，可以使用选自水；醇，例如甲醇，乙醇，丙醇和异丙醇；和二甲基甲酰胺中的一种或多种类型，优选地，可以使用水。根据本说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用催化剂的制备方法，包括：/n在载体上形成聚合物层；/n通过将金属纳米粒子负载在形成有聚合物层的所述载体上来制备载体-纳米粒子复合材料的第一负载；/n分离在所述第一负载中未负载的粒子；/n热处理所述载体-纳米粒子复合材料；和/n将分离的所述未负载的粒子负载在热处理后的所述载体-纳米粒子复合材料上的第二负载。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170919 KR 10-2017-01203591.一种燃料电池用催化剂的制备方法，包括：
在载体上形成聚合物层；
通过将金属纳米粒子负载在形成有聚合物层的所述载体上来制备载体-纳米粒子复合材料的第一负载；
分离在所述第一负载中未负载的粒子；
热处理所述载体-纳米粒子复合材料；和
将分离的所述未负载的粒子负载在热处理后的所述载体-纳米粒子复合材料上的第二负载。


2.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中，所述形成聚合物层通过将包含含有吡啶基和胺基中的至少一种的聚合物的聚合物溶液涂覆在载体上来进行。


3.根据权利要求1所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中，所述第一负载使用包含所述形成有聚合物层的载体；金属前体；和第一溶剂的第一组合物来进行。


4.根据权利要求3所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中，所述金属前体是铂(Pt)前体。


5.根据权利要求3所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中，所述第一溶剂包括选自水、乙二醇、二甘醇和丙二醇中的一种或多种类型。


6.根据权利要求3所述的燃料电池用催化剂的制备方法，其中，所述第一负载包括将所述第一组合物的pH调节到8至12。


7.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李源均，金相勋，黄教贤，赵俊衍，金洸贤，崔兰，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR