碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池技术

本申请提供了碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池，制备方法包括：将金属前驱体溶液与高分子化合物进行混合处理，高分子化合物形成纤丝状，得到混合体系A；将混合体系A与碳载体进行混合处理，至少使高分子化合物部分缠绕于碳载体的表面，得到固液混合体系B；将固液混合体系B进行减压蒸发处理，得到粘稠浆料C；将粘稠浆料C进行干燥处理，得到负载有金属前驱体的碳载体D；将碳载体D置于还原气氛中进行还原处理和/或在惰性气氛中进行热处理，得到碳载金属催化剂。采用高分子化合物缠绕碳载体表面，提高碳载体的浸润性，使金属前驱体盐均匀吸附及析出在碳载体的表面，增加金属载量，提高金属在碳载体中的稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池


[0001]本申请属于电池材料
，更具体地说，是涉及碳载金属催化剂的制备方法及碳载金属催化剂与燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种清洁、高效的能量转化装置，相比于传统的一次或者二次电池，燃料电池具有更高的能量密度、更快的充能速度；与传统热机相比，燃料电池的能量转化率远高于传统热机。而且在燃料电池里，燃料直接转化为“清洁”的燃烧产物，如水、二氧化碳等，几乎没有硫化物与氮氧化合物的排放，属于清洁能源。
[0003]催化剂材料是燃料电池的关键材料，其中，铂金基催化剂因其优异的电子性质，被广泛认为是直接燃料电池中最重要的阳极催化剂。虽然铂金基催化剂具有优异的催化效果，但同时也存在电催化稳定性差、成本高等问题。提高催化剂中的铂利用率，增强催化剂的稳定性和抗中毒能力，降低燃料电池成本的根本途径之一。
[0004]为提高Pt的利用率,通常将Pt负载在碳载体材料上，以提高Pt的分散性，同时碳载体和碳团聚体上存在的孔道结构能够有效改善燃料电池催化层中反应物与产物的传质，提高燃料电池的性能。为了降低催化层厚度，减少传质阻力，燃料电池一般采用金属载量较高(40wt％以上)的碳载催化剂。
[0005]目前常用的碳载金属催化剂的制备方法为浸渍法，传统浸渍法(impregnation)的基本原理是利用载体的吸附作用，将金属前驱体吸附于载体。具体做法是将载体分散于含有金属前驱体的液体或气体中，载体吸附满单层(或者不满单层)金属前驱体达到浸渍平衡，然后除去液体或气体，再进行干燥、焙烧、活化等。
[0006]传统浸渍法在制备汽车尾气三元催化剂或者石油气转化催化剂等有着成功应用，这种浸渍法主要适合于制备载量较低(<5％)的催化剂。以传统浸渍法制备高载量(40％
‑
80％)燃料电池催化剂时，面临两个问题：
[0007]一、由于金属催化剂载量较低，碳载体表面无法靠平衡吸附担载足够量的金属前驱体；
[0008]二、由于燃料电池载体一般具有较高的石墨化程度，表面呈现疏水状态，其与金属前驱体溶液之间的浸润性较差，阻碍了浸渍过程中金属前驱体溶液进入碳载体与碳团聚体的孔道结构，使得金属前驱体盐不能均匀吸附以及析出在碳载体表面。
[0009]这些问题导致了以传统浸渍法制备高载量催化剂的碳载金属催化剂的催化性能和稳定性较低。

技术实现思路

[0010]基于此，本申请的一个目的是提供一种碳载金属催化剂的制备方法，以解决现有技术中存在的传统浸渍法制备的碳载金属催化剂中金属催化剂的载量较低、金属前驱体盐不能均匀吸附以及析出在碳载体表面，导致碳载金属催化剂的催化性能和稳定性较低的技
术问题。
[0011]本申请的又一目的是提供一种碳载金属催化剂。
[0012]本申请的再一目的是提供一种燃料电池。
[0013]为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：
[0014]一种碳载金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0015]将金属前驱体溶液与高分子化合物进行混合处理，高分子化合物形成纤丝状，得到混合体系A；
[0016]将混合体系A与碳载体进行混合处理，至少使高分子化合物部分缠绕于碳载体的表面，得到固液混合体系B；
[0017]将固液混合体系B进行减压蒸发处理，得到粘稠浆料C；
[0018]将粘稠浆料C进行干燥处理，得到负载有金属前驱体的碳载体D；
[0019]将碳载体D置于还原气氛中进行还原处理和/或在惰性气氛中进行热处理，得到碳载金属催化剂。
[0020]可选地，高分子化合物包括甲基纤维素、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；和/或，
[0021]高分子化合物为甲基纤维素，浓度为2wt％的甲基纤维素的水溶液在20℃时粘度为1
‑
5000mpas。
[0022]可选地，高分子化合物的添加量为碳载体质量的0.1％
‑
100％。
[0023]可选地，金属前驱体溶液中的金属元素包括铂、钯、铱、金、铁、钴、镍、铜、锰中的至少一种；和/或，
[0024]金属前驱体溶液为包括铂、钯、铱、金、铁、钴、镍、铜、锰中的至少一种金属元素的水溶性金属盐溶液或水溶性配合物溶液或水溶性合金盐溶液。
[0025]可选地，碳载体包括乙炔黑、活性碳、碳纳米管和石墨烯中的至少一种；和/或，
[0026]金属前驱体溶液的浓度为0.06mol/L
‑
0.35mol/L，金属前驱体溶液体积为碳载体振实体积的1.5
‑
100倍。
[0027]可选地，减压蒸发的真空度小于90KPa；和/或，
[0028]在减压蒸发处理之前，还对固液混合体系B进行超声处理；超声处理和减压蒸发进行至少一次交替重复操作，直至得到无明水的粘稠浆料C。
[0029]可选地，还原气氛的气体包括氢气、一氧化碳和氨气中的至少一种；和/或，
[0030]惰性气氛的气体包括氩气和/或氮气。
[0031]可选地，还原处理的温度为60℃
‑
800℃；和/或，
[0032]热处理的温度为60℃
‑
800℃。
[0033]以及，一种碳载金属催化剂，采用上述任一所述的碳载金属催化剂的制备方法制成。
[0034]以及，一种燃料电池，包括上述碳载金属催化剂。
[0035]1、本申请提供的碳载金属催化剂的制备方法，高分子化合物与金属前驱体溶液混合后，高分子化合物形成纤丝状，然后与碳载体进行混合处理，高分子化合物缠绕于碳载体的表面，利用其保水能力提升碳载体的浸润性，使金属前驱体碳能够渗入碳载体的孔道中，并均匀负载于碳载体的表面，然后减压蒸发，去除部分水分；干燥处理去除所有水分，金属
前驱体析出附着于碳载体的表面；还原处理和/或热处理使金属阳离子还原，得到碳载金属催化剂；与现有技术相比，本申请的碳载金属催化剂的制备方法采用水溶性的、纤丝状的高分子化合物缠绕碳载体表面，提高碳载体的浸润性，使金属前驱体盐能够均匀吸附以及析出在碳载体的表面，并且增加碳载金属催化剂中的金属载量，进而提高金属在碳载体中的稳定性，即提高碳载金属催化剂的催化性能和稳定性；
[0036]2、本申请提供的碳载金属催化剂中金属载量高，金属均匀负载于碳载体的表面，提高了碳载金属催化剂的催化性能和稳定性；
[0037]3、本申请提供的燃料电池采用上述碳载金属催化剂，碳载金属催化剂的稳定性高，提高了金属催化剂的利用率，从而提高了燃料电池的催化性能和稳定性，降低了材料成本。
附图说明
[0038]下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0039]图1为本申请实施例1的金属催化剂的透视电镜TEM图；
[0040]图2为本申请对比例1的金属催化剂的透视电镜TEM图；
[0041]图3为本申请实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳载金属催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将金属前驱体溶液与高分子化合物进行混合处理，所述高分子化合物形成纤丝状，得到混合体系A；将所述混合体系A与碳载体进行混合处理，至少使所述高分子化合物部分缠绕于所述碳载体的表面，得到固液混合体系B；将所述固液混合体系B进行减压蒸发处理，得到粘稠浆料C；将所述粘稠浆料C进行干燥处理，得到负载有金属前驱体的碳载体D；将所述碳载体D置于还原气氛中进行还原处理和/或在惰性气氛中进行热处理，得到碳载金属催化剂。2.如权利要求1所述的碳载金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述高分子化合物包括甲基纤维素、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；和/或，所述高分子化合物为甲基纤维素，浓度为2wt％的所述甲基纤维素的水溶液在20℃时粘度为1
‑
5000mpas。3.如权利要求1或2所述的碳载金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述高分子化合物的添加量为所述碳载体质量的0.1％
‑
100％。4.如权利要求1所述的碳载金属催化剂的制备方法，其特征在于：所述金属前驱体溶液中的金属元素包括铂、钯、铱、金、铁、钴、镍、铜、锰中的至少一种；和/或，所述金属前驱体溶液为包括铂、钯、铱、金、铁、钴、镍、铜、锰中的至少一种金属元素的水溶性金属盐溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖宇翔，李柯，郑泽民，唐美华，陈胜利，余罡，苏鑫，
申请(专利权)人：珞氢新材料科技广东有限公司，
类型：发明
国别省市：