一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂及其制备方法。本发明专利技术针对质子交换膜燃料电池高电位导致催化剂载体腐蚀严重的难题，通过对催化剂碳载体进行表面氧化物修饰，再原位负载铂纳米颗粒。制备得到的铂纳米颗粒均匀分散，粒径为2

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料以及燃料电池
，具体涉及一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着能源问题和环境问题的日益突出，新能源汽车的研究开发成为了全世界的热点。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为动力的燃料电池汽车(FCV)由于具有启动速度快、能量转换效率高、行驶里程长、零排放等诸多优点被认为是未来路面交通的理想工具。但是，其进一步大规模商业化的过程仍然面临着三大技术瓶颈，即成本问题、性能问题和耐久性问题。
[0003]碳材料作为燃料电池催化剂载体面临着一个重要问题就是耐腐蚀性。燃料电池在长期的启动/停车、动电位循环和高电位运行都会加速催化剂碳载体的腐蚀，碳载体的腐蚀会引起贵金属颗粒团聚长大，导致电化学反应的活性位点减少。此外，碳腐蚀引起的膜电极结构的变化还会对质子、电子和水气传输产生影响，引起电池不可逆的性能损失。因此，对于耐高电位腐蚀催化剂载体的研究开发一直是相关领域研究人员关注的重要问题。
[0004]为了改善铂基催化剂载体的耐久性，通常采用对无定型碳进行高温石墨化处理，提高碳材料的耐高电位腐蚀性能。但是，石墨化处理会导致碳材料的比表面积急剧下降，材料孔体积坍塌，影响Pt基纳米颗粒负载的均匀性，从而影响催化剂的催化活性。另外，也有通过采用金属氧化物作为铂基催化剂的载体，虽然获得了较好的耐高电位稳定性，但是金属氧化物的导电性较差，导致电子电阻较大，催化剂的活性较低，难以满足商业化应用。申请号为CN202110710978.7的中国专利技术专利提出了一种氢燃料电池用石墨化碳载体、制备方法及其电池催化剂，所述催化剂载体为石墨化碳，所述的制备催化剂的体系为乙二醇体系，所述的催化剂加热方式为微波加热，与本专利技术的水体系不同，并且其合成的颗粒表面的乙二醇难以清洗干净。申请号为CN201710903746.7的中国专利技术专利提出了一种核壳结构氧化物负载Pt催化剂及其制备方法和应用；所述催化剂载体为核壳结构的SiO2/TiO2，其Pt的含量只有0.5％～1％；一方面完全的氧化物载体难以满足燃料电池传导电子的要求，另一方面，过低的铂含量难以满足催化反应的要求。

技术实现思路

[0005]为了解决现有催化剂载体的耐高电为腐蚀问题，本专利技术的目的在于提供一种制备方法简单，具有较高活性且耐高电腐蚀的燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂及其制备方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]第一方面，本专利技术涉及一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂，所述催化剂以氧化物修饰碳黑为载体，具有单分散的Pt纳米颗粒均匀分散于载体的表面；所述氧化物为耐酸性氧化物纳米颗粒均匀分散于碳黑的表面；
[0008]所述Pt纳米颗粒的粒径为1.5
‑
5nm；
[0009]所述催化剂中碳黑的质量百分比含量为30％～70％；
[0010]氧化物修饰碳黑中，氧化物纳米颗粒尺寸为5
‑
20nm，氧化物占碳黑的质量百分比为5％～30％。
[0011]在一些实施例中，选择Pt纳米颗粒粒径为2.5
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4.0nm。选择催化剂中碳黑的质量百分比含量为40wt％～60wt％。选择所述的氧化物纳米颗粒尺寸为10
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15nm。选择氧化物占碳黑的质量百分比为10wt％～20wt％。
[0012]第二方面，本专利技术还涉及一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0013]a1、碳粉超声分散溶剂中，并室温搅拌，形成混合液A；
[0014]a2、过渡金属氯化物溶解于溶剂中，得到溶液B；将溶液B匀速滴加到所述混合液 A中，滴加完毕后，调节pH值为12～14，室温条件下继续反应；经沉降，去除上清液，将反应产物过滤清洗，于80℃真空干燥8～12h，研磨成粉，得到氧化物修饰的碳载体 C；
[0015]a3、将所述氧化物修饰的碳载体C，经超声搅拌，均匀分散于去离子水中，形成混合液D；
[0016]a4、铂盐溶解于去离子水中得到含Pt盐的溶液E；并在搅拌条件下加入到所述混合液D中，调节混合液pH值为11
‑
13；
[0017]a5、在室温条件下搅拌，加入还原剂，再通入惰性气氛排空，然后加热到一定温度，保持该温度继续反应一段时间；待反应完冷却至室温，将反应产物经过沉降、过滤清洗、干燥研磨，即得到所述氧化物修饰碳载铂催化剂。
[0018]作为一个实施方案，步骤a1中所述碳粉为乙炔黑、EC300J、EC600J、Vulcan XC
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72、 Black pearls、碳纳米管、石墨化碳粉、石墨烯中的一种或几种的混合物。更优选所述导电碳粉为乙炔黑、EC300J、EC600J、Vulcan XC
‑
72、石墨化碳粉中的一种或几种的混合物。
[0019]作为一个实施方案，步骤a1中溶剂选自去离子水、无水乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇中的一种或者几种的混合物。更优选步骤a1中溶剂为去离子水和无水乙醇，进一步优选的为去离子水。
[0020]作为一个实施方案，混合液A中的固含量为10mg/mL～80mg/mL。优选混合液A 中的固含量为20mg/mL～50mg/mL。混合液A中的固含量低于10mg/mL，不利于催化剂的批量制备。
[0021]作为一个实施方案，步骤a1中超声分散的功率为100～500W，时间为10～60min。
[0022]作为一个实施方案，步骤a1中室温搅拌50
‑
70min。
[0023]作为一个实施方案，步骤a2中过渡金属氯化物选自MoCl5、NbCl5、MnCl2、WCl6、 TiCl4、TaCl5中的至少一种。更优选为MoCl5、NbCl5、MnCl2、TiCl4中的一种或几种。最优选的为NbCl5、MnCl2。
[0024]作为一个实施方案，步骤a2中溶剂选自无水乙醇、异丙醇、正丙醇中的至少一种或者几种的混合物。更优选的为无水乙醇。
[0025]作为一个实施方案，步骤a2中，调节pH值采用0.5
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2.0mol/L的氨水溶液。
[0026]作为一个实施方案，步骤a2中，继续反应的时间为120～240min。
[0027]作为一个实施方案，步骤a2中，所述滤清洗是用去离子水经过反复过滤清洗3
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5 次。
(Oswald ripening)作用和/或催化剂纳米颗粒在碳载体表面迁移团聚，而导致颗粒长大机制；2)由于Pt
2+
的流失而引发的Pt质量损失过程；3)由碳载体材料腐蚀导致Pt纳米颗粒脱离碳表面引发的Pt质量损失过程。
[0042]传统直接在碳载体表面负载Pt纳米颗粒催化剂，Pt与碳载体之间通常是通过静电作用吸附，在高温高湿、电压循环时颗粒容易迁移；长期高电位，碳载体会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂，其特征在于，所述催化剂以氧化物修饰碳黑为载体，具有单分散的Pt纳米颗粒均匀分散于载体的表面；所述氧化物为耐酸性氧化物纳米颗粒均匀分散于碳黑的表面；所述Pt纳米颗粒的粒径为1.5
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5nm；所述催化剂中碳黑的质量百分比含量为30％～70％；氧化物修饰碳黑中，氧化物纳米颗粒尺寸为5
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20nm，氧化物占碳黑的质量百分比为5％～30％。2.一种如权利要求1所述燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：a1、碳粉超声分散溶剂中，并室温搅拌，形成混合液A；a2、过渡金属氯化物溶解于溶剂中，得到溶液B；将溶液B匀速滴加到所述混合液A中，滴加完毕后，调节pH值为12～14，室温条件下继续反应；经沉降，去除上清液，将反应产物过滤清洗，于80℃真空干燥8～12h，研磨成粉，得到氧化物修饰的碳载体C；a3、将所述氧化物修饰的碳载体C，经超声搅拌，均匀分散于去离子水中，形成混合液D；a4、铂盐溶解于去离子水中得到含Pt盐的溶液E；并在搅拌条件下加入到所述混合液D中，调节混合液pH值为11
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13；a5、在室温条件下搅拌，加入还原剂，再通入惰性气氛排空，然后加热到一定温度，保持该温度继续反应一段时间；待反应完冷却至室温，将反应产物经过沉降、过滤清洗、干燥研磨，即得到所述氧化物修饰碳载铂催化剂。3.根据权利要求2所述的燃料电池用氧化物修饰碳载铂催化剂的制备方法，其特征在于，步骤a1中所述碳粉为乙炔黑、EC300J、EC600J、Vulcan XC
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72、Black pearls、碳纳米管、石墨化碳粉、石墨烯中的一种或几种的混合物；溶剂选自去离子水、无水乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇中的一种或者几种的混合物；混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱凤鹃，吴爱明，吴若飞，郑文，
申请(专利权)人：上海唐锋能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：