以导电陶瓷碳化硼为担体的燃料电池催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种以导电陶瓷碳化硼为担体的燃料电池催化剂及其制备方法。该燃料电池催化剂与传统的碳担体催化剂相比，本发明专利技术的催化剂采用导电陶瓷碳化硼作为担体，具有比较高的电化学活性面积、较高的抗一氧化碳中毒能力、较高的抗氧化性能。本发明专利技术的催化剂的制备方法是：预先制备稳定的纳米铂或铂合金胶体，然后将其担载到碳化硼担体上，制得以碳化硼为担体的燃料电池催化剂。将制备的催化剂制成燃料电池MEA，具有较好的电输出性能和电池稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种催化剂，特别是应用于燃料电池的催化剂，其特点是催化剂所用 担体为导电纳米陶瓷碳化硼。本专利技术还涉及该种催化剂的制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)作为一种 工作效率高、环境友好、室温启动快的洁净能源，目前已成为能源领域的研究热点之一。对 于它的研究，工作重点多数都集中在提高性能、降低成本和提高耐久性上。其中，PEMFC的 耐久性是阻碍其商业化的一大瓶颈。这是因为催化剂主要使用的是Pt贵金属催化剂，而且 燃料电池运行过程中催化剂活性的降低及质子交换膜的降解往往是造成PEMFC耐久性或 寿命低的重要原因。在PEMFC工作环境下，尤其是在阴极的高氧含量、高电位条件下催化剂担体很容 易发生腐蚀，其化学和电化学稳定性难以达到PEMFC的寿命要求。催化剂担体的腐蚀会造 成严重的后果，主要表现在催化剂担体的腐蚀会造成钼颗粒与担体间的剥离，使钼颗粒无 法获得电子而失去作用；担体的腐蚀还会造成钼颗粒的塌陷，使钼颗粒产生聚集，而且塌陷 的钼颗粒更容易受到担体的覆盖或遮蔽；担体的腐蚀还会改变材料的表面状态，通常会降 低材料的憎水性，增加气体传质阻力，同时中间产物(如CO)还会强烈吸附于钼的表面，造 成催化剂中毒。专利US2008/003476A1提出向贵金属催化剂中添加氯化物、碘化物、溴化物等 物质以抑制贵金属的长大及溶解流失。专利ZL200610020008.X提出利用导电陶瓷作为 催化剂担体制备贵金属催化剂。与传统碳担体相比，导电陶瓷具备良好的化学和电化 学稳定性，并且导电陶瓷表面光滑，各种空隙较少，可以提高贵金属颗粒的利用率。专利 ZL200610020007. 5利用导质子高聚物修饰纳米贵金属微粒，提高了贵金属与担体间的结合 力，能有效的防止贵金属微粒与担体的剥离，从而降低贵金属颗粒的溶解和团聚。本专利技术以导电陶瓷碳化硼作为催化剂担体，导电陶瓷表面光滑各种空隙较少，还 可以提高贵金属颗粒的利用率。但与
技术介绍
相比，所述的碳化硼具有良好的导电性能、较 好的化学稳定性和抗氧化性能。碳化硼陶瓷与酸、碱溶液不起反应，与其他导电陶瓷不同的 是，碳化硼是对酸最稳定的物质之一，在所有浓或稀的酸或碱水溶液中都稳定。而且，碳化 硼担体比传统碳担体和其他导电陶瓷具有更低的分子吸附能力，可以有效地提高催化剂的 电化学活性、抗一氧化碳中毒能力和提高催化剂的寿命，这是其他导电陶瓷作为催化剂担 体所不具有的。此外，碳化硼更容易实现纳米化。纳米级的碳化硼与微米以上级碳化硼颗 粒相比，可以更好的地担载贵金属催化剂颗粒，提高贵金属催化剂在担体表面的分散能力 和载量，从而极大地提高了催化剂的电化学催化活性。本专利技术所述担体同时也适用于直接 甲醇燃料电池(DMFC)和直接甲酸燃料电池(DFAFC)。目前尚未有以纳米导电陶瓷碳化硼为担体的质子交换膜燃料电池催化剂的相关 报道。
技术实现思路
本专利技术的 目的是提供一种应用于燃料电池金属催化剂，本专利技术还提供该种金属催 化剂的制备方法。本专利技术的一种燃料电池金属催化剂，其特征在于所述的金属催化剂的担体为导 电陶瓷碳化硼，所述的导电陶瓷碳化硼为六方结构，粒径为10 100纳米。本专利技术所述的导电陶瓷碳化硼与酸、碱溶液不起反应，具有高化学位、中子吸收、 耐磨及良好的导电性能。与其他陶瓷不同，碳化硼是对酸最稳定的物质之一，在所有浓的或 稀的酸或碱水溶液中都稳定。本专利技术所述的碳化硼担体比传统碳担体和其他导电陶瓷具有更低的分子吸附能 力，因此以碳化硼陶瓷为担体的燃料电池贵金属催化剂具有更高的电化学性能和抗一氧化 碳中毒能力。本专利技术所述的金属催化剂的金属为贵金属单质或贵金属合金，所述的贵金属单质 为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os中的任意一种；所述的贵金属合金为MxNy或MxNyOz，其中M、N、0 分别为 Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、V、Ga 和 Mo 中的任一金属元素， M、N、0三者互不相同，但至少有一种为贵金属钼，χ、y和ζ为催化剂中各金属原子比，其数 值分别为0 100中的自然数，且x+y = 100或x+y+z = 100。本专利技术的燃料电池金属催化剂的一种制备方法是先制备稳定的贵金属催化剂颗 粒胶体，然后将其负载到导电陶瓷碳化硼上，具体的制备步骤如下步骤1、将所述的催化剂的金属的前驱体盐溶于去离子水或醇或醇水溶液中，在 N2, He或Ar气保护下充分搅拌，反应过程中保持溶液的pH = 9 13，在130 160°C加热 回流2 5小时，制备出稳定的钼或钼合金胶体；步骤2、将在去离子水或醇或醇水溶液中分散好的导电陶瓷碳化硼加入到步骤1 制得的钼或钼合金胶体溶液中，继续搅拌8 10小时，即制得以导电陶瓷碳化硼为担体的 燃料电池金属催化剂；制备出以导电陶瓷碳化硼为担体的燃料电池催化剂；其中，所述的醇水溶液中醇与水的质量比为0.5 100 1，醇为甲醇、乙醇、丙醇 及异丙醇中的任一种。本专利技术所述的催化剂的金属的前驱体盐为H2PtCl6、RuC13、PdCl2, IrCl3、Co (NO3)2 中的一种以上。将制备的燃料电池金属催化剂组装成单电池，进行电性能测试1、燃料电池芯片CCM(catalyst coated membrane)的制备将制备的催化剂加入 去离子水和质量浓度5 %的全磺酸树脂溶液，充分超声分散搅拌，调成糊状，真空下除去料 浆气泡。然后均勻涂覆于聚四氟乙烯膜上，控制涂覆厚度为120微米，室温下自然烘干3 8小时，然后在热压条件下转印于DU PONT公司的NafionO系列膜(NRE212或NRE211等) 两侧，制得CCM。2、单电池组装及测试采用聚四氟乙烯疏水处理的碳纸作为气体扩散层，所述的 气体扩散层聚四氟乙烯含量为20 % 30 %，并在其一侧复合有聚四氟乙烯和导电碳黑微 粒组成的微孔层，(经350°C下煅烧20分钟)，其主要作用是优化水和气体通道；集流板为 石墨板，在一侧开有平行槽；端板为镀金不锈钢板。将CCM、气体扩散层、集流板、端板及密封材料组装成单电池。单电池操作条件为(1)质子交换膜燃料电池(PEMFC) =H2/空气过量系数为1. 5/2. 5 (其中“/”代表 过量系数之比，下同)，空气背压为0 ；阴阳极增湿，增湿度为0 100%;单电池工作温度为 60 80°C，增湿温度为60 75°C。(2)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极甲醇的浓度为2摩尔/升，流量为5毫升/分 钟，阴极为空气，背压为0。(3)直接甲酸燃料电池(DFAFC)阳极甲酸的浓度为2摩尔/升，流量为5毫升/分 钟，阴极为空气，背压为0。与
技术介绍
相比，本专利技术的催化剂是一种多功能的燃料电池催化剂，具有以下的 优点(1)催化剂具备良好的导电性能、高的化学稳定性和高的电化学稳定性；(2)碳化硼陶瓷表面光滑各种空隙较少，可以提高贵金属颗粒的利用率。(3)催化剂具有较高的抗一氧化碳中毒能力。(4)催化剂具有更高的甲醇甲酸氧化能力。(4)由于制备过程中不需要添加其他高分子聚合物，催化剂合成过程简单，能进行 大规模批量生产。附图说明图1为所制备的Pt/B4C催化剂的透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池金属催化剂，其特征在于：所述的金属催化剂的担体为导电陶瓷碳化硼，所述的导电陶瓷碳化硼为六方结构，粒径为１０～１００纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：木士春，吕海峰，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83