一种抗反极催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种抗反极催化剂及其制备方法和应用，所述抗反极催化剂包括WO3‑

【技术实现步骤摘要】
一种抗反极催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，涉及一种抗反极催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、清洁、对环境友好型的能源装置，具备能量转换效率高、超低污染、运行噪声低、室温快速启动、方便维护等优点，在固定电站、交通运输、军用电源等领域受到了广泛关注。但若使PEMFC在未来的发电设备中占据较大比例，还需要进一步提高其性能和可靠性。PEMFC的关键组件是膜电极组件(MEA)，MEA通常由催化剂涂层膜(CCM)和两侧的气体扩散层(GDL)组成，其中催化剂作为MEA的核心，其重要性不言而喻。
[0003]目前商用燃料电池的阴极和阳极催化剂几乎均为Pt/C，但是炭黑作为载体非常容易受到腐蚀。当燃料电池在复杂工况下运行时，如启停、快速变载、低温启动等工况，会出现燃料不足的情况，导致阳极侧电位迅速升高，甚至高于阴极电位，这就发生了“反极”。电池反极时，阳极氢气氧化不足以提供足够的质子和电子，电池系统的电流得不到维持，这时就会发生碳腐蚀反应。碳腐蚀会导致Pt催化剂脱落，催化层结构遭到破坏等后果，从而影响电池寿命。
[0004]因此，研究人员在不断开发新的策略防止电池反极，如系统策略。专利CN102522581B公开了一种车用燃料电池发电系统的加载控制方法，根据整车需求功率P整车和目前燃料电池的加载功率P的差值ΔP与其进行比较来确定加载量，并计算出燃料电池发电系统准备输出的允许功率P允许，根据所算出的允许加载功率P允许，调节对应的燃料电池发电系统参数，当完成后返回完成信号，加载，反复循环加载至P整车＝P允许，依此类推，循环加载至整车所需功率，降低了由于急速大载荷加载而使传质跟不上导致的欠气、反极等对膜电极损伤，延长了燃料电池发电系统使用寿命。但是系统策略带来的成本和复杂性又让研究者望而却步，所以有些研究人员提出了更易接受的材料策略，即使用抗氧化载体或者在催化层中添加电解水催化剂，使电解水反应和碳腐蚀反应在反极期间成为竞争的两个反应。目前使用较多的电解水催化剂为IrO2和RuO2等，抗氧化载体主要是一些石墨化的碳载体。CN111082078A公开了一种高性能且抗电压反转的膜电极组件的制备方法，其在催化层中直接添加常见的电解水材料，有效提升了抗反极性能，但是这种直接添加电解水催化剂与Pt/C物理混合的方式制备得到的催化剂，其催化活性的利用率不是很高，并且掩盖了Pt的活性位点，导致电池本身的性能下降，并且在高电流密度区域还会出现严重的传质问题，导致电池整体的抗反极性能得到提升，但是电池的其他各方面性能却会降低。
[0005]综上，提供一种能够提高燃料电池反极耐受性能且不会影响电池催化性能的抗反极催化剂，对燃料电池的研究和发展有着重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种抗反极催化剂及其制备
方法和应用。本专利技术以WO3‑
PANI为载体制备抗反极催化剂，WO3作为载体能够从源头上避免反极期间的碳腐蚀，PANI的存在能够提高WO3的导电性，且PANI的腐蚀电位较高，不会影响催化剂的抗反极效果，在避免碳腐蚀的同时，保证了原有的电池输出性能，有效提高了燃料电池的耐久性。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种抗反极催化剂，所述抗反极催化剂包括WO3‑
PANI载体和负载在所述WO3‑
PANI载体表面的活性组分，所述活性组分包括Pt。
[0009]本专利技术的抗反极催化剂采用了新的阳极载体WO3‑
PANI，WO3作为载体能够从源头上避免反极期间的碳腐蚀，且WO3对于电解水具有一定的效果，能提升析氧性能；PANI的修饰提高了氧化物载体WO3的导电性，二者协同作用，从而使电池兼具反极耐久性和输出性能；同时，PANI的腐蚀电位较炭黑等碳材料高，不会影响催化剂的抗反极效果，在避免碳腐蚀的同时，保证了原有的电池输出性能，有效提高了燃料电池的耐久性，大大提高了复杂工况下电池的寿命。
[0010]优选地，所述活性组分和所述WO3‑
PANI载体的质量比为(0.1～0.7):1，例如可以是0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1或0.7:1等。
[0011]优选地，所述WO3‑
PANI载体中WO3和PANI的质量比为(0.01～100):1，例如可以是0.01:1、1:1、100:50、100:40、100:30、100:20、100:15、10:1、50:1或100:1等，优选为100:(5～50)，进一步优选为100:(10～20)；当WO3偏多时，会导致载体导电性较差，不利于电池输出性能，当PANI载体偏多时，会导致载体耐腐蚀性能较差，不利于耐久性的提高，当WO3‑
PANI载体中WO3和PANI以合适的质量比混合，得到的抗反极催化剂充分发挥WO3和PANI的协同作用，同步提高电池的输出性能和耐久性。
[0012]优选地，所述WO3‑
PANI载体的平均尺寸为50～200nm，例如可以是50nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm等。
[0013]优选地，所述活性组分的形貌为球体。
[0014]优选地，所述活性组分的直径为1～5nm，例如可以是1nm、2nm、3nm、4nm或5nm等。
[0015]本专利技术中采用合适尺寸的WO3‑
PANI载体，能够防止PANI在掺杂过程中的体积膨胀或收缩，从而影响其导电性。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种根据第一方面所述的抗反极催化剂的制备方法，所述制备方法包括：
[0017](1)将WO3、苯胺、浓盐酸和过硫酸铵混合，得到WO3‑
PANI载体；
[0018](2)将步骤(1)所述WO3‑
PANI载体和铂前驱体混合，进行微波反应，得到抗反极催化剂。
[0019]本专利技术采用原位聚合法制备WO3‑
PANI载体，使PANI以化学的方式修饰在了WO3表面或内部，提高WO3和PANI的结合能力，载体具有更多的缺陷位，有利于后续Pt的负载和活性位点的增加，制备得到的抗反极催化剂能够有效规避反极给电池带来的损害，从而极大地保护电池耐久性。同时，本专利技术的制备方法简单，氧化物WO3以及PANI的单体苯胺的成本较低，可以大批量生产，抗反极效果优于现有技术。
[0020]作为本专利技术所述制备方法的优选技术方案，步骤(1)所述WO3按照如下方式制备：
[0021]将钨前驱体、氯化钠和草酸混合搅拌至生成白色乳液，向所述白色乳液中加入酸
溶液，搅拌至澄清后，进行水热反应，将所述水热反应得到的固体产物进行退火，得到WO3。
[0022]本专利技术中采用水热法制备得到WO3，制备得到的WO3具有纳米结构，其晶型好，耐腐蚀性高，电化学稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗反极催化剂，其特征在于，所述抗反极催化剂包括WO3‑
PANI载体和负载在所述WO3‑
PANI载体表面的活性组分，所述活性组分包括Pt。2.根据权利要求1所述的抗反极催化剂，其特征在于，所述活性组分和所述WO3‑
PANI载体的质量比为(0.1～0.7):1；优选地，所述WO3‑
PANI载体中WO3和PANI的质量比为(0.01～100):1，优选为100:(5～50)，进一步优选为100:(10～20)。3.根据权利要求1或2所述的抗反极催化剂，其特征在于，所述WO3‑
PANI载体的平均尺寸为50～200nm；优选地，所述活性组分的直径为1～5nm。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的抗反极催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将WO3、苯胺、浓盐酸和过硫酸铵混合，得到WO3‑
PANI载体；(2)将步骤(1)所述WO3‑
PANI载体和铂前驱体混合，进行微波反应，得到抗反极催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述WO3按照如下方式制备：将钨前驱体、氯化钠和草酸混合搅拌至生成白色乳液，向所述白色乳液中加入酸溶液，搅拌至澄清后，进行水热反应，将所述水热反应得到的固体产物进行退火，得到WO3；优选地，所述钨前驱体包括钨酸和/或钨酸钠；优选地，所述酸溶液包括盐酸；优选地，所述加入酸溶液后，得到的溶液的pH为1～2；优选地，所述水热反应的温度为150～220℃，所述水热反应的时间为1～6h；优选地，所述水热反应后、退火前，还包括离心洗涤和真空干燥的步骤。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述将WO3、苯胺、浓盐酸和过硫酸铵混合按照如下方式进行：将WO3分散在溶剂中并加入苯胺，得到第一混合溶液，将浓盐酸和过硫酸铵溶解在溶剂中，得到第二混合溶液，将所述第二混合溶液缓慢滴加至所述第一混合溶液中，并加入稀盐酸调节pH为1～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李咏焕，王英，张运搏，苏建敏，孙奎，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：