一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：将金属前驱体铂盐、金属前驱体铜盐和金属前驱体钴盐溶解于由乙二醇和N,N

【技术实现步骤摘要】
一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金催化剂
，特别涉及一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是通过电化学反应实现能量转换的高效清洁能源器件。燃料电池能量效率高、工作安静、排放清洁，是国内外普遍重点发展的一种新能源器件。近年来，受到环境危机、能源安全和可持续发展需求等多方面影响，国内的新能源领域发展日新月异，燃料电池技术的发展受到了更多关注。
[0003]现阶段，低温质子交换膜燃料电池(LT
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PEMFC)体系受到的关注较多，发展相对成熟。LT
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PEMFC工作温度较低(≤80℃)，一般使用以Nafion膜为代表的全氟磺酸基质子交换膜作为电解质。LT
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PEMFC工作是使用高纯氢气作为燃料，其对氢气的纯度要求很高，当氢气燃料中含有少量的CO等气体杂质时，就会毒化电极催化剂使其失去活性，从而大幅度降低燃料电池性能。大规模应用LT
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PEMFC时，高纯度氢气对于氢气的生产、储存和运输等各个环节所涉及的基础设施都提出了很高的要求，大幅增加了基础设施的建设成本，限制了燃料电池的推广和使用。另一方面，LT
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PEMFC在使用过程中需要复杂的水管理和热管理系统。液态和气态水的迁移和传输、生成和排除等环节都对燃料电池的稳定运行有很大影响。LT
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PEMFC在80℃左右工作，而燃料电池是一个放热体系，系统的热管理和热量损失使得LT
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PEMFC能量效率的进一步降低。
[0004]中高温质子交换膜燃料电池(HT
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PEMFC)是一种工作温度在中高温区(120
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300℃)的质子交换膜燃料电池。随着工作温度的提高，HT
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PEMFC也具有了一系列LT
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PEMFC所不具备的优势。首先，工作温度升高，使得燃料电池催化剂对CO等气态杂质的耐受性增加，对氢气燃料的纯度要求降低，可以直接使用化工副产氢或是重整气等氢气来源，降低燃料成本，减少相关基础建设投入，有助于燃料电池的大规模应用。其次，HT
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PEMFC工作温度上升至120℃以上，水都以气态形式存在，不需要水管理系统，能够大大的简化燃料电池系统。另外，燃料电池温度与固态储氢、液态储氢以及醇类燃料重整的温度更为匹配，可以直接将余热用于氢燃料的释放，使得系统整体能量效率更高。
[0005]然而，HT
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PEMFC的发展时间相对较短，科学认识相对缺乏，技术积累相对不足，依然存在诸多问题亟待解决。首先，HT
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PEMFC是以磷酸掺杂的聚合物膜作为质子交换膜，而磷酸的特异性吸附对铂基催化剂存在严重的毒化作用，导致HT
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PEMFC中铂用量居高不下，输出性能也受到限制，使得燃料电池的成本大幅提升。其次，苛刻的工作条件(高温、强酸性、强氧化性)使得HT
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PEMFC中催化剂的腐蚀现象更加显著，电催化剂的稳定性受到更严峻的考验。现阶段，国内外研究团队对HT
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PEMFC电催化剂的针对性研究比较缺乏，高温电催化机理相关认识尚不清楚，高温电催化剂的设计策略还不明确，HT
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PEMFC仍严重依赖成本昂贵和资源稀缺的铂基催化剂。亟需开发高性能、低成本的HT
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PEMFC催化剂，从而促进HT
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PEMFC的推广应用。降低HT
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PEMFC催化剂的成本可以从两方面入手，一方面是提高Pt的质量活性、
降低Pt的用量，另一方面是开发可代替Pt基材料的非贵金属催化剂。铂基材料是电催化领域的常用催化剂，现有的性能调控策略对HT
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PEMFC低铂催化剂的设计有很好的借鉴作用。一般来说，可以通过提高本征活性和增加活性位点数目的方式来提升铂基金属催化剂的活性。活性位点数目增加可以通过构筑精细微纳结构、提高分散度等方式实现。本征活性的提高，可以通过调控几何结构和电子结构等方式实现。其中，铂基金属的合金化是提升其本征催化活性的重要手段之一。以燃料电池阴极的氧还原(ORR)催化剂为例，铂催化剂对于ORR中间物种的吸附过强，通过将铂与铁、镍或钴等元素形成合金，可以优化表面中间物种的吸附行为，从而促进反应快速进行。缺陷是调控催化剂催化性能的有效手段。根据热力学第二定律，缺陷是材料的固有属性，普遍存在于材料中。缺陷通过改变材料的周期性结构能够有效改变催化材料的电子结构，优化电催化剂性能。电催化剂缺陷化学也逐渐成为近年来电催化领域的研究热点。例如，锯齿状铂基催化剂含有大量缺陷位点，能够诱导Pt
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Pt键长度缩短、d带中心下移，促使ORR催化性能大幅提升。针对HT
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PEMFC，合理利用缺陷调控电催化剂活性，是提升HT
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PEMFC性能的有效策略。因此，合成一种富缺陷合金催化剂将有效解决HT
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PEMFC的众多问题，进而推动质子交换膜燃料电池的应用，助力双碳目标的实现。
[0006]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0007]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂及其制备方法，旨在解决现有高温质子膜燃料电池的合金催化剂氧还原性能和稳定性较差的问题。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其中，包括步骤：
[0010]将金属前驱体铂盐、金属前驱体铜盐和金属前驱体钴盐溶解于由乙二醇和N,N
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二甲基甲酰胺组成的混合溶剂中，搅拌溶解后加入还原剂继续搅拌；
[0011]待还原剂搅拌溶解后再加入氮掺杂多孔碳并进行超声分散处理，得到混合溶液；
[0012]将所述混合溶液置于油浴锅中，在预定温度下加热搅拌反应预定时间，得到反应产物；
[0013]对反应产物依次进行一次离心清洗处理、一次真空干燥处理、酸洗处理、二次离心清洗处理、二次真空干燥处理，制得高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂。
[0014]所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其中，所述金属前驱体铂盐选自乙酰丙酮铂或六水氯铂酸；所述金属前驱体铜盐选自二水氯化铜或三水硝酸铜；所述金属前驱体钴盐选自乙酰丙酮钴(Ⅲ)或碱式碳酸钴；所述还原剂选自葡萄糖或抗坏血酸。
[0015]所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其中，所述金属前驱体铂盐、金属前驱体铜盐和金属前驱体钴盐的摩尔比为1:1:1。
[0016]所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其中，所述金属前驱体铂盐与氮掺杂多孔碳的质量比为20
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50％。
[0017]所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：将金属前驱体铂盐、金属前驱体铜盐和金属前驱体钴盐溶解于由乙二醇和N,N
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二甲基甲酰胺组成的混合溶剂中，搅拌溶解后加入还原剂继续搅拌；待还原剂搅拌溶解后再加入氮掺杂多孔碳并进行超声分散处理，得到混合溶液；将所述混合溶液置于油浴锅中，在预定温度下加热搅拌反应预定时间，得到反应产物；对反应产物依次进行一次离心清洗处理、一次真空干燥处理、酸洗处理、二次离心清洗处理、二次真空干燥处理，制得高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂。2.根据权利要求1所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其特征在于，金属前驱体铂盐选自乙酰丙酮铂或六水氯铂酸；所述金属前驱体铜盐选自二水氯化铜或三水硝酸铜；所述金属前驱体钴盐选自乙酰丙酮钴(Ⅲ)或碱式碳酸钴；所述还原剂选自葡萄糖或抗坏血酸。3.根据权利要求1所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述金属前驱体铂盐、金属前驱体铜盐和金属前驱体钴盐的摩尔比为1:1:1。4.根据权利要求1所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述金属前驱体铂盐与氮掺杂多孔碳的质量比为20
‑
50％。5.根据权利要求1所述高温质子膜燃料电池富缺陷合金催化剂的制备方法，其特征在于，超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆静利，陈浩，符显珠，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：