燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。燃料电池阴极催化剂的制备方法包括如下步骤：将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；对沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。经试验发现，本发明专利技术的上述燃料电池阴极催化剂的制备方法得到的燃料电池阴极催化剂中，铂合金纳米颗粒在碳载体上分散均匀，且燃料电池阴极催化剂的催化活性较好，有利于应用。

Fuel cell cathode catalyst and its preparation method, membrane electrode and fuel cell

【技术实现步骤摘要】
燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池
本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC，protonexchangemembranefuelcell)是一种燃料电池，通过氢气冷燃烧将化学能转化为电能，水是唯一排放物。PEMFC是氢能经济的核心，其阴极氧还原反应的过电势较高，需要贵金属铂催化剂，从而实现氢能的高效利用。降低阴极催化剂的铂用量是实现PEMFC大规模商业应用的关键，铂与3d过渡金属的合金化已被证明是减少铂用量的有效手段。传统的燃料电池阴极催化剂的制备方法中，将铂合金纳米颗粒沉积于碳载体上。然而，传统的制备方法中，铂合金在碳载体上的分布不均匀，导致催化剂的性能不佳，限制了这种催化剂的应用。
技术实现思路
基于此，有必要针对如何提高催化剂的催化活性的问题，提供一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，所述铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；以及对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。在其中一个实施例中，所述保护剂为乙酸钠或者十六烷基三甲基溴化铵。在其中一个实施例中，沉积铂合金纳米颗粒的操作中，溶液中的金属离子与所述保护剂的摩尔比为0.05～1.5。在其中一个实施例中，所述铂合金纳米颗粒包括铂合金核和包裹在所述铂合金核表面的铂壳；所述铂壳的厚度为0.5nm～1.5nm；所述铂合金核占所述铂合金纳米颗粒的质量分数为40％～75％；优选地，铂合金纳米颗粒选自铂钴合金纳米颗粒、铂镍合金纳米颗粒和铂铁合金纳米颗粒中的至少一种；优选地，所述铂合金纳米颗粒占所述燃料电池阴极催化剂的质量分数为30％～50％；优选地，所述铂合金纳米颗粒中，铂与3d过渡金属的摩尔比为1:3～5:1。在其中一个实施例中，对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体进行第一次热处理的操作为：将所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体与含氮化合物混合均匀，之后在惰性气体氛围中500℃～1000℃时热处理2h～10h，得到沉积有铂合金纳米颗粒的掺氮碳载体。在其中一个实施例中，所述掺氮碳载体中氮的质量分数为1％～30％；优选地，所述掺氮碳载体的尺寸为100nm～25μm，所述掺氮碳载体的比表面积为200m2/g～1500m2/g。在其中一个实施例中，所述第一次热处理的温度为600℃～800℃，时间为2h～6h；所述第二次热处理的温度为150℃～250℃，时间为1h～8h。一种燃料电池阴极催化剂，由上述的燃料电池阴极催化剂的制备方法制备得到。还提供一种膜电极，包括上述的燃料电池阴极催化剂。还提供一种燃料电池，包括上述的膜电极。经试验发现，本专利技术技术方案的上述燃料电池阴极催化剂的制备方法中，由于先将碳载体与保护剂混合均匀之后再沉积铂合金纳米颗粒，并依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到的燃料电池阴极催化剂中，铂合金纳米颗粒在碳载体上分散均匀，且燃料电池阴极催化剂的催化活性较好，有利于应用。采用上述制备方法制备得到的燃料电池阴极催化剂，催化活性与稳定性俱佳，有利于产业化应用。附图说明图1为本专利技术一实施方式的燃料电池阴极催化剂的制备方法的流程图；图2为实施例1制备的燃料电池阴极催化剂的透射电镜(TEM)图；图3为实施例2制备的燃料电池阴极催化剂的透射电镜(TEM)图；图4为对比例1制备的燃料电池阴极催化剂的透射电镜(TEM)图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本专利技术的专利技术人在研究过程中发现：燃料电池催化剂的性能主要受催化剂的表面结构和组成分布影响，其进步的主要障碍在于难以在纳米层级实现元素分布精确调控。为此，本专利技术提供一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，通过提高铂合金纳米颗粒在碳载体上的分散均匀度，来提高燃料电池阴极催化剂的催化活性。请参见图1，本专利技术一实施方式的燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：S10、将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属。步骤S10中，碳载体包括但不限于碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳、碳球或者石墨烯等导电材料。步骤S10中，碳载体与保护剂的水溶液混合之后，可以通过搅拌、超声分散等方式实现二者的均匀分散。优选地，保护剂为乙酸钠或者十六烷基三甲基溴化铵。经试验证明，这些种类的保护剂能够提高铂合金纳米颗粒在碳载体上的分散均匀度，从而提高燃料电池阴极催化剂的催化活性。更优地，当保护剂为乙酸钠或者十六烷基三甲基溴化铵时，先将保护剂溶解于水中，之后将碳载体加入保护剂的水溶液中混合均匀。经试验证明，这样更有利于能够提高铂合金纳米颗粒在碳载体上的分散均匀度。更优地，沉积铂合金纳米颗粒的操作中，溶液中的金属离子与保护剂的摩尔比为0.05～1.5。经试验证明，上述比例的金属离子与保护剂混合均匀之后，提高了铂合金纳米颗粒在碳载体上的分散均匀度，从而提高燃料电池阴极催化剂的催化活性。步骤S10中，沉积铂合金纳米颗粒的操作为：将铂前驱体与至少一种3d过渡金属前驱体加入碳载体与保护剂的分散液中，混合均匀，之后加入还原剂，充分反应，即得。其中，加入还原剂的目的是将金属盐还原。还原剂例如可以是硼氢化钠、抗坏血酸或者柠檬酸。步骤S10中，3d过渡金属指的是原子的电子排布时最后一个电子排在3d轨道上的金属。例如，钴、镍和铁等金属。优选地，铂合金纳米颗粒包括铂合金核和包裹在铂合金核表面的铂壳。铂壳的厚度为0.5nm～1.5nm。铂合金核占铂合金纳米颗粒的质量分数为40％～75％。优选地，铂合金纳米颗粒选自铂钴合金纳米颗粒、铂镍合金纳米颗粒和铂铁合金纳米颗粒中的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，所述铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；以及/n对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；/n其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，所述铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；以及
对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；
其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。


2.根据权利要求1所述的燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述保护剂为乙酸钠或者十六烷基三甲基溴化铵。


3.根据权利要求1或2所述的燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，沉积铂合金纳米颗粒的操作中，溶液中的金属离子与所述保护剂的摩尔比为0.05～1.5。


4.根据权利要求1所述的燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂合金纳米颗粒包括铂合金核和包裹在所述铂合金核表面的铂壳；
所述铂壳的厚度为0.5nm～1.5nm；
所述铂合金核占所述铂合金纳米颗粒的质量分数为40％～75％；
优选地，铂合金纳米颗粒选自铂钴合金纳米颗粒、铂镍合金纳米颗粒和铂铁合金纳米颗粒中的至少一种；
优选地，所述铂合金纳米颗粒占所述燃料电池阴极催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：高正飞，王中奇，史曦伶，王恒，
申请(专利权)人：苏州天际创新纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32