阳极复合催化剂及其制备方法、燃料电池技术

本申请属于电池技术领域，尤其涉及一种阳极复合催化剂及其制备方法，以及一种燃料电池。其中，阳极复合催化剂的制备方法，包括步骤：制备石墨化的碳载体；将铂盐的溶液与所述碳载体混合后，进行水热反应，得到铂负载的载体；将钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液与所述铂负载的载体混合干燥后，进行煅烧处理，得到阳极复合催化剂。本申请提供的阳极复合催化剂的制备方法，工艺简单高效，适用于工业化大规模生产和应用，金属催化剂以小粒径的形式均匀稳定的负载在碳载体上，不但降低了金属催化剂团聚，而且负载的金属催化剂使阳极复合催化剂在保持高氢气氧化活性的同时，也具有较高的抗反极的性能，有效提高阳极的抗反极和耐久等性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
阳极复合催化剂及其制备方法、燃料电池


[0001]本申请属于电池
，尤其涉及一种阳极复合催化剂及其制备方法，以及一种燃料电池。

技术介绍

[0002]氢气作为清洁高效的能源载体，既可以利用可再生能源电解水获得，也可以利用燃料电池将存储于氢气中的化学能高效转化为电能。因此，氢气作为重要的能源载体，燃料电池作为能源转换系统，可以实现可再生能源的清洁高效利用。以氢气为燃料、质子交换膜燃料电池(PEMFC)为动力的氢燃料电池是将存储在氢气中的化学能直接转换为电能的能源转换系统，具有能量转换效率高、比功率高、环境友好等诸多优点，被认为是缓解日益严重的能源短缺和环境污染问题的理想发电装置之一。PEMFC电堆体系复杂，系统集成度高，其包含四大关键材料(催化剂、质子交换膜、气体扩散层以及双极板)以及三大核心技术(膜电极的生产技术、双极板的加工技术、电堆组装以及集成技术)。其中，膜电极作为PEMFC电堆的核心部件，是阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层的结合体，决定了整个电堆的性能、成本以及耐久性。造成膜电极性能衰减的主要因素有运行工况大幅度变化或者故障、气体杂质污染以及冷启动等。其中，运行工况大幅度变化或者故障，包括电堆负载迅速变化，迅速启停以及供气故障等，是现阶段引起膜电极失效的主要形式。
[0003]研究人员发现，在迅速启停或者供气故障时，会导致PEMFC电堆内单个电池或者多个电池出现负向电压的现象，这种现象称为“反极现象”。反极现象主要跟膜电极有关，在PEMFC中普遍存在，发生时不仅会造成催化层活性降低，也会造成能量的消耗，热量积聚过度时甚至会引起电堆的烧毁爆炸。具体而言反极现象分为两种：由于氧气供应不足导致的阴极反极现象和由于氢气供应不足导致的阳极反极现象。其中，阳极反极发生时，为了维持外电路的电子流以及内电路的质子流，阳极发生碳腐蚀反应(COR)和析氧反应(OER)代替氢氧化反应(HOR)提供持续的电子流和质子流。当阳极水被完全消耗，COR会变成主要反应，并且在铂颗粒表面，COR会被加速。如果阳极碳载体被消耗完毕，阳极持续反极会造成质子交换膜缺水，导致质子交换膜的干化并穿孔，引起膜电极短路。严重时，产生的热量会造成膜电极被烧毁。现有的解决办法是研发高活性OER催化剂，将阳极催化层中水分进行分解，从而抑制COR的发生。目前，通过在阳极催化层添加OER催化剂，促进电解水释放电子和质子，抑制阳极的COR，达到延缓阳极衰减的作用。
[0004]但是，目前合成OER催化剂的方法在高温条件下催化剂颗粒很容易形成团聚，且需要制备之后再与现有的Pt/C催化剂进行混合，均匀分散难度大，使得催化性能无法完全体现，催化效率低，对反极现象抑制效果不佳。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种阳极复合催化剂及其制备方法，以及一种燃料电池，旨在一定程度上解决现有阳极催化剂对反极现象抑制效果不佳，易发生碳腐蚀反应的问
题。
[0006]为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
[0007]第一方面，本申请提供一种阳极复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]制备石墨化的碳载体；
[0009]将铂盐的溶液与所述碳载体混合后，进行水热反应，得到铂负载的载体；
[0010]将钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液与所述铂负载的载体混合干燥后，进行煅烧处理，得到阳极复合催化剂。
[0011]第二方面，本申请提供一种阳极复合催化剂，所述阳极复合催化剂包括碳载体和金属催化剂，所述金属催化剂负载在所述碳载体上，所述金属催化剂包括铂催化剂、铱催化剂和/或钌催化剂。
[0012]第三方面，本申请提供一种燃料电池，所述燃料电池的阳极包含上述方法制备的阳极复合催化剂，或者包含有上述的阳极复合催化剂。
[0013]本申请第一方面提供的阳极复合催化剂的制备方法，制备工艺简单高效，适用于工业化大规模生产和应用，负载金属铂后再通过溶胶凝胶法使钌、铱等金属催化剂以小粒径的形式均匀稳定的负载在碳载体中，不但有效降低了金属催化剂团聚对催化性能的影响，而且后负载钌和铱金属催化剂使其更有利于抗反极。本申请制备的阳极复合催化剂中，铂催化剂可提高氢氧化反应的活性；钌和铱金属催化剂可促进电解水释放电子和质子，抑制阳极的碳腐蚀反应，延缓阳极衰减；碳载体不但为金属催化剂提供了稳定的负载载体，而且石墨化的碳载体有更高的稳定性，可进一步提高催化剂的抗碳腐蚀能力。因而本申请阳极复合催化剂在保持高氢气氧化活性的同时，也具有较高的抗反极的性能，可有效提高阳极的抗反极和耐久等性能。
[0014]本申请第二方面提供的阳极复合催化剂，包括碳载体和铂催化剂、铱催化剂和/或钌催化剂等金属催化剂，其中，铂催化剂可提高氢氧化反应的活性；钌和铱金属催化剂可促进电解水释放电子和质子，抑制阳极的碳腐蚀反应，延缓阳极衰减；碳载体不但为金属催化剂提供了稳定的负载载体，而且石墨化的碳载体有更高的稳定性，可进一步提高催化剂的抗碳腐蚀能力。因而本申请阳极复合催化剂在保持高氢气氧化活性的同时，也具有较高的抗反极的性能，可有效提高阳极的抗反极和耐久等性能。
[0015]本申请第三方面提供的燃料电池，由于燃料电池的阳极包含有上述阳极复合催化剂，该复合催化剂在保持高氢气氧化活性的同时，也具有较高的抗反极的性能，可有效提高阳极的抗反极和耐久等性能。因而有效提高了燃料电池的稳定性、安全性和使用寿命等。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本申请实施例1提供的阳极复合催化剂的透射电镜TEM图；
[0018]图2是本申请对比例2提供的阳极复合催化剂的透射电镜TEM图；
[0019]图3是本申请实施例1和对比例2提供的燃料电池中阳极催化剂层的电极极化性能
测试图；
[0020]图4是本申请实施例1和对比例2提供的燃料电池中阳极催化剂层的电极首次反极测试图。
具体实施方式
[0021]为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0022]本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0023]本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阳极复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备石墨化的碳载体；将铂盐的溶液与所述碳载体混合后，进行水热反应，得到铂负载的载体；将钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液与所述铂负载的载体混合干燥后，进行煅烧处理，得到阳极复合催化剂。2.如权利要求1所述的阳极复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备石墨化的碳载体的步骤包括：在温度为1500～2300℃的惰性气氛下，对碳材料进行0.5～10小时石墨化处理，得到石墨化的所述碳载体；和/或，所述水热反应的条件为：在温度为140～250℃的惰性气氛下，热处理1～10小时。3.如权利要求2所述的阳极复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料选自：Ketjenblack EC
‑
300J、Ketjenblack EC
‑
600JD、CNovel中的至少一种；和/或，所述碳载体的比表面积为200～500m2/g；和/或，所述水热反应的pH值不低于10；和/或，所述铂盐的溶液中铂盐的浓度为5mmol/L～200mmol/L；和/或，所述铂盐包括：氯铂酸、氯化亚铂、乙酰丙酮铂中的至少一种；和/或，所述铂盐的溶液中溶剂包括：水、乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇中的至少一种。4.如权利要求1～3任一项所述的阳极复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液的制备包括步骤：将钌盐和/或铱盐溶解在溶剂中后，在温度为140～250℃的惰性气氛下，热处理1～10小时，得到所述钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液；和/或，所述混合干燥的步骤包括：将所述钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液与所述铂负载的载体混合后，在温度为60～100℃的惰性气氛下蒸干溶剂；和/或，所述煅烧处理的条件包括：在温度为90～190℃的空气氛围下，煅烧0.5～5小时。5.如权利要求4所述的阳极复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述钌和/或铱的纳米颗粒溶胶分散液中，所述钌盐的浓度为0.1mmol/L～200mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾林，王亚蒙，李政，娄佳璐，卢振东，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：