一种氢燃料电池阴极催化剂及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供一种氢燃料电池阴极催化剂，包括载体和活性金属，所述活性金属负载于载体上，所述载体选自金属氧化物和过渡金属掺杂金属氧化物中的一种或两种；以所述氢燃料电池阴极催化剂的总重量为基准，所述活性金属的负载量为20～40wt％。本发明专利技术采用金属氧化物和/或过渡金属掺杂作为氢燃料电池阴极催化剂的载体，可以提高氢燃料电池阴极催化剂的稳定性，避免在PEFC长时间运行过程中发生碳腐蚀；过渡金属的掺杂可以提高载体的导电性能，抑制阴极催化剂活性金属发生氧化失活，提高催化活性；可以增加金属氧化物载体与活性金属的相互作用，产生较高的还原电流，具有良好的氧还原活性；疏水改性处理可以抑制催化剂对羟基的吸附，改变水的结构，提高ORR的活性。提高ORR的活性。提高ORR的活性。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池阴极催化剂及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种氢燃料电池阴极催化剂及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]环保要求越来越多地需要使用清洁能源，氢燃料电池汽车(FCVs)是一种很有前景的解决方案，它的尾气排放仅包括水蒸气。氢燃料电池发电技术是氢能高效利用的理想手段，其中质子膜氢燃料电池具有能量转换效率高、功率密度高、运行温度低和环境污染小等优点，被认为是理想的清洁能源转化装置，是绿色新能源汽车的动力首选能源。氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，通过氢气与氧气反应，从而将化学能转化为电能。氢气气体燃料流到阳极，被电催化剂(即阳极催化剂层中的Pt)分解成质子和电子。质子通过阴极的电解膜，与空气中的氧气和电子反应，通过外部电路在流量控制阀(通常是电动机)，在电催化剂阴极催化剂层(Pt)产生水。
[0003]用于氢燃料电池汽车(FCVs)的聚合物电解质膜燃料电池(PEFC)系统要求高性能和耐久性。然而，电催化剂的高成本、低活性和低耐用性阻碍了PEFC的商业化。碳由于其表面积大、电导率高，是PEFC催化剂的典型载体材料。然而，采用碳载体的阴极催化剂会发生严重的碳腐蚀，机理如下式所示：
[0004]C+2H2O
→
CO2+4H
+
+4e
‑
(0.207V vs RHE，25℃)。
[0005]在PEFC长时间运行过程中，碳腐蚀加速了碳负载铂(Pt)颗粒的长大，这导致金属纳米粒子从载体脱离和烧结，限制了接触氧气或燃料分子的催化剂表面积，这就减少了可用的氧还原反应中心，而氧还原反应是发电所必需的。此外，它还会对电子、气体和质子的输送产生不利影响，导致PEFC系统不可逆转的性能损失，从而导致整个燃料电池效率的退化。因此，探索能够在电化学和强酸强碱性环境中稳定的载体，具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氢燃料电池阴极催化剂及其制备方法、应用，用于解决现有技术中采用碳载体的氢燃料电池阴极催化剂容易发生碳腐蚀、导致燃料电池效率的退化的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氢燃料电池阴极催化剂，包括载体和活性金属，所述活性金属负载于载体上，所述载体选自金属氧化物和过渡金属掺杂金属氧化物中的一种或两种；以所述氢燃料电池阴极催化剂的总重量为基准，所述活性金属的负载量为20～40wt％。
[0008]优选地，所述氢燃料电池阴极催化剂经过疏水改性处理。
[0009]优选地，所述金属氧化物选自氧化钛、氧化锡、氧化钨、氧化铈、氧化钼、氧化钌和氧化铱中的一种或多种。
[0010]优选地，所述过渡金属掺杂金属氧化物中的过渡金属选自钌、铱、铌和钼中的一种
或多种。
[0011]优选地，所述过渡金属掺杂金属氧化物中的金属氧化物选自氧化钛、氧化锡、氧化钨、氧化铈、氧化钼、氧化钌和氧化铱中的一种或多种。
[0012]优选地，所述活性金属选自铂、钯、钴和金中的一种或多种。
[0013]本专利技术的第二个专利技术目的在于提供一种氢燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0014]1)将活性金属前驱体分散于分散介质中，形成溶胶；
[0015]2)将溶胶与载体接触，还原处理，即制得所述氢燃料电池阴极催化剂。
[0016]优选地，还原处理后还包括疏水改性处理工序。
[0017]优选地，采用含氮化合物进行疏水改性处理，所述含氮化合物选自胺化的芳香族化合物和烷基胺中的一种或两种。
[0018]本专利技术的第三个专利技术目的在于提供一种氢燃料电池阴极催化剂在氢燃料电池中的应用。
[0019]本专利技术的第四个专利技术目的在于提供一种包含上述氢燃料电池阴极催化剂的氢燃料电池。
[0020]如上所述，本专利技术的氢燃料电池阴极催化剂及其制备方法、应用，具有以下有益效果：
[0021]采用金属氧化物和/或过渡金属掺杂作为氢燃料电池阴极催化剂的载体，基于其较高的化学和电化学稳定性，金属氧化物与活性金属的相互作用强，可以防止尺寸较小的活性金属发生团聚，提高氢燃料电池阴极催化剂的稳定性，避免在PEFC长时间运行过程中发生碳腐蚀；
[0022]对催化剂进行疏水改性处理可以改变活性金属的电子性质，并在其周围形成疏水层，抑制对羟基的吸附，同时疏水改性处理可以改变水的结构，提高ORR的活性；由于金属氧化物上活性金属分散度高，利用率高，ORR活性高，有效降低了活性金属用量，降低了氢燃料电池催化剂的成本，提高了竞争力。
附图说明
[0023]图1显示为实施例1
‑
7和比较例的催化剂的ORR活性对比图。
[0024]图2显示为实施例6的催化剂的耐久性测试伏安曲线图。
[0025]图3显示为比较例的催化剂的耐久性测试伏安曲线图。
[0026]图4显示为实施例6的催化剂的ORR极化曲线图。
[0027]图5显示为比较例的催化剂的ORR极化曲线图。
[0028]图6显示为实施例6和比较例的催化剂层厚度的对比图。
具体实施方式
[0029]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0030]须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
[0031]此外应理解，本专利技术中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本专利技术中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
的情况下，当亦视为本专利技术可实施的范畴。
[0032]本申请实施例提供了一种具体的氢燃料电池阴极催化剂，包括载体和活性金属，所述活性金属负载于载体上，所述载体选自金属氧化物和过渡金属掺杂金属氧化物中的一种或两种；以所述氢燃料电池阴极催化剂的总重量为基准，所述活性金属的负载量为20～40wt％。
[0033]在一个具体的实施方式中，所述氢燃料电池阴极催化剂经过疏水改性处理。
[0034]在一个具体的实施方式中，所述载体的平均粒径为5～25nm，如具体为5～7nm，7～15nm，15～20nm，20～25nm。
[0035]在一个具体的实施方式中，所述载体的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池阴极催化剂，其特征在于，包括载体和活性金属，所述活性金属负载于载体上，所述载体选自金属氧化物和过渡金属掺杂金属氧化物中的一种或两种；以所述氢燃料电池阴极催化剂的总重量为基准，所述活性金属的负载量为20～40wt％。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池阴极催化剂，其特征在于：所述氢燃料电池阴极催化剂经过疏水改性处理；和/或，所述载体的平均粒径为5～25nm；和/或，所述载体的比表面积为70～230m2/g。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池阴极催化剂，其特征在于：所述金属氧化物选自氧化钛、氧化锡、氧化钨、氧化铈、氧化钼、氧化钌和氧化铱中的一种或多种；和/或，所述过渡金属掺杂金属氧化物中的过渡金属选自钌、铱、铌和钼中的一种或多种；所述过渡金属掺杂金属氧化物中的金属氧化物选自氧化钛、氧化锡、氧化钨、氧化铈、氧化钼、氧化钌和氧化铱中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的氢燃料电池阴极催化剂，其特征在于：所述活性金属选自铂、钯、钴和金中的一种或多种。5.一种如权利要求1～4任一所述的氢燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将活性金属前驱体分散于分散介质中，形成溶胶；2)将溶胶与载体接触，还原处理，即制得所述氢燃料电池阴极催化剂。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：还原处理后还包括疏水改性处理工序；和/或，所述活性金属前驱体为活性金属对应的可溶性金属盐或者酸类化合物；和/或，所述分散介质至少包括水；和/或，所述溶胶的pH...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜瑞霞，刘洋，张翔，冯伟樑，魏赛赛，许庆，王阔，
申请(专利权)人：上海歌地催化剂有限公司，
类型：发明
国别省市：