一种燃料电池催化剂及其制备方法、燃料电池技术

本发明专利技术提供一种燃料电池催化剂及其制备方法、燃料电池，所述燃料电池催化剂的制备方法包括：将金属前驱体盐、溶剂和还原剂在惰性气氛中混合，得到混合溶液；将所述混合溶液加入反应容器中，控制所述反应容器内的温度由常温梯度升高至热解还原反应温度，制得金属颗粒溶液；从所述金属颗粒溶液中分离出金属颗粒并干燥，将金属颗粒担载至碳载体上，在空气中高温煅烧除去溶剂，得到燃料电池催化剂。本发明专利技术通过将铂前驱体盐和金前驱体盐按照一定比例混合后，梯度升温至热解还原反应温度，形成核壳结构的金属颗粒，具有高耐久性，且分散均匀，保证催化剂的性能和结构稳定，具有高催化活性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池催化剂及其制备方法、燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种燃料电池催化剂及其制备方法、燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式转变为电能的发电装置，而质子交换膜燃料电池是燃料电池中较为常见的种类。在质子交换膜燃料电池中，贵金属铂(Pt)及其合金是目前最为有效的催化剂，但Pt资源稀缺，价格昂贵，导致催化剂的成本较高，制约了质子膜燃料电池的发展。现有技术中，催化剂中Pt的分散度较低且Pt颗粒粒径不可控，导致制得的燃料电池催化剂耐久性较低，且Pt用量较大，成本较高。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的问题是如何制备高分散度、高耐久性的燃料电池催化剂。
[0004]为解决上述问题中的至少一个方面，本专利技术提供一种燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0005]S1、将金属前驱体盐、溶剂和还原剂在惰性气氛中混合，得到混合溶液，其中，所述金属前驱体盐包括铂前驱体盐和金前驱体盐；
[0006]S2、将所述混合溶液加入反应容器中，在惰性气氛条件下控制所述反应容器内的温度由常温梯度升高至热解还原反应温度，制得金属颗粒溶液，其中，升温速率为0.5
‑
3℃/min，所述热解还原反应温度为80
‑
200℃；
[0007]S3、从所述金属颗粒溶液中分离出金属颗粒并干燥，将所述金属颗粒溶解至正己烷溶剂中，加入碳载体，进行搅拌并超声处理，使所述金属颗粒担载至所述碳载体上，在空气中高温煅烧除去溶剂，得到燃料电池催化剂。
[0008]优选地，所述铂前驱体盐包括乙酰丙酮铂或氯铂酸，所述金前驱体盐包括氯金酸或氯化金，所述铂前驱体盐和所述金前驱体盐的摩尔比为1:(0.1
‑
1)。
[0009]优选地，所述溶剂为1,2,3,4
‑
四氢化萘，所述还原剂包括四丁基溴化铵、十八烯、油氨和油酸中的至少一种。
[0010]优选地，所述溶剂和所述还原剂的质量比为(0.5
‑
100):1。
[0011]优选地，所述步骤S2中，所述混合溶液的加入量为所述反应容器总容量的的30
‑
50％。
[0012]优选地，所述步骤S3中，所述碳载体的粒径为40
‑
200nm，所述碳载体的比表面积为100
‑
600m2/g。
[0013]优选地，所述步骤S3中，所述金属颗粒和所述碳载体的质量比为1:(1
‑
19)。
[0014]本专利技术通过将铂前驱体盐和金前驱体盐按照一定比例混合后，梯度升温至热解还原反应温度，由于铂前驱体盐和金前驱体盐具有不同的还原电势，从而能够形成核壳结构的金属颗粒，且金属颗粒的粒径为纳米级，将纳米级的金属颗粒担载至碳载体上，能够保证
金属颗粒在碳载体上高度分散，而核壳结构的金属颗粒具有高耐久性，通过提高金属颗粒的分散度和耐久性能够减少金属颗粒的用量，保证催化剂的性能和结构稳定，且催化剂具有高催化活性。
[0015]本专利技术的另一目的在于提供一种燃料电池催化剂，采用上述的制备方法制得。
[0016]优选地，该催化剂包括碳载体和担载在所述碳载体上的金属颗粒，所述金属颗粒担载所述碳载体上，其中，所述金属颗粒为核壳结构，包括铂金合金组成的核和铂组成的壳，所述金属颗粒的粒径为3
‑
7nm。
[0017]本专利技术通过上述制备方法制得燃料电池催化剂，且催化剂包括碳载体和担载在碳载体上的金属颗粒，其中，金属颗粒包括铂和金，形成了核壳结构，能够提高催化剂的耐久性，且金属颗粒的粒径为3
‑
7nm，有助于提高金属颗粒在载体上的分散度，一定程度上减少金属颗粒的用量，节省成本，并使催化剂具有高催化活性。
[0018]本专利技术的再一目的在于提供一种燃料电池，包括上述的燃料电池催化剂。
[0019]本专利技术通过使用上述燃料电池催化剂，能够提高燃料电池的功率密度和电化学性能。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中燃料电池催化剂制备方法的流程示意图；
[0021]图2为本专利技术实施例中5纳米金属颗粒的TEM电镜图；
[0022]图3为本专利技术实施例中5纳米金属颗粒担载至碳载体上的TEM电镜图；
[0023]图4为本专利技术实施例中5纳米金属颗粒元素分析图；
[0024]图5为本专利技术实施例中7纳米金属颗粒的TEM电镜图；
[0025]图6为本专利技术实施例中7纳米金属颗粒担载至碳载体上的TEM电镜图；
[0026]图7为本专利技术实施例中燃料催化剂与商业Pt/C催化剂性能对比图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0028]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
[0029]本专利技术实施例提供一种燃料电池催化剂的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0030]S1、将金属前驱体盐、溶剂和还原剂在惰性气氛中混合，得到混合溶液，其中，金属前驱体盐包括铂(Pt)前驱体盐和金(Au)前驱体盐；
[0031]S2、将混合溶液加入反应容器中，在惰性气氛条件下控制反应容器内的温度由常温梯度升高至热解还原反应温度，制得金属颗粒溶液，其中，热解还原反应温度为80
‑
200℃，梯度升温速率为0.5
‑
3℃/min；
[0032]S3、从金属颗粒溶液中分离出金属颗粒并干燥，将金属颗粒溶解至正己烷溶剂中，加入碳载体，进行搅拌并超声处理，使金属颗粒担载至碳载体上，在空气中高温煅烧除去溶
剂，得到燃料电池催化剂。
[0033]通过同时将Pt前驱体盐和Au前驱体盐加入溶剂和还原剂得到混合溶液，将混合溶液梯度升温至热解还原反应温度，由于Pt前驱体盐和Au前驱体盐具有不同的还原电势，在温度梯度升高的过程中，不同金属前驱体盐被先后还原为金属颗粒，形成了核壳结构，其中金属颗粒的核为Pt与Au的合金，金属颗粒的壳为Pt，核壳结构的金属颗粒具有高耐久性。另外，使用该制备方法制得的金属颗粒的粒径为纳米级，将纳米级的金属颗粒担载至碳载体上时，分散性能更好，从而减少了金属颗粒的用量，节省了成本，制得的催化剂结构稳定，具有更高的催化活性。
[0034]步骤S1中，Pt前驱体盐包括乙酰丙酮铂或氯铂酸，Au前驱体盐包括氯金酸或氯化金，Pt前驱体盐和Au前驱体盐的摩尔比为1:(0.1
‑
1)，溶剂为1,2,3,4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将金属前驱体盐、溶剂和还原剂在惰性气氛中混合，得到混合溶液，其中，所述金属前驱体盐包括铂前驱体盐和金前驱体盐；S2、将所述混合溶液加入反应容器中，在惰性气氛条件下控制所述反应容器内的温度由常温梯度升高至热解还原反应温度，制得金属颗粒溶液，其中，升温速率为0.5
‑
3℃/min，所述热解还原反应温度为80
‑
200℃；S3、从所述金属颗粒溶液中分离出金属颗粒并干燥，将所述金属颗粒溶解至正己烷溶剂中，加入碳载体，进行搅拌并超声处理，使所述金属颗粒担载至所述碳载体上，高温煅烧除去溶剂，得到燃料电池催化剂。2.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述铂前驱体盐包括乙酰丙酮铂或氯铂酸，所述金前驱体盐包括氯金酸或氯化金，所述铂前驱体盐和所述金前驱体盐的摩尔比为1:(0.1
‑
1)。3.根据权利要求1所述的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述溶剂为1,2,3,4
‑
四氢化萘，所述还原剂包括四丁基溴化铵、十八烯、油氨和油酸中的至少一种。4.根据权利要求3所述的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂和所述还原剂的质量比为(0....

【专利技术属性】
技术研发人员：吕海峰，瞿威，王冠雄，李婷雅，张胜刚，
申请(专利权)人：深圳航天科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：