具有碳纳米层的导电陶瓷为担体的燃料电池催化剂及制备方法技术

具有碳纳米层的导电陶瓷为担体的燃料电池催化剂及制备方法。该燃料电池催化剂与碳担体催化剂相比，本催化剂采用碳包覆导电陶瓷为担体，具有较高的化学和电化学稳定性；与一般的陶瓷担体相比，本担体具有较高的导电性能，且碳薄膜层厚度可控，对陶瓷本身性能无影响；与一般的陶瓷催化剂相比，本催化剂具有较高的电化学活性面积。本催化剂的制法：先将导电陶瓷在低能碳氢离子气氛中进行处理，通过离子沉积在陶瓷表面沉积一层纳米碳薄膜，碳薄膜厚度可通过气体种类、处理温度、气体流量和压力来控制。然后在其表面负载金属催化剂颗粒，制得碳包覆导电陶瓷为担体的燃料电池催化剂。将该催化剂制成燃料电池，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金属催化剂，其特点是催化剂 所用担体为碳包覆导电陶瓷，此担体不但具有碳材料的高导电性的特点，同时碳包覆层厚 度控制在范围之内，对陶瓷的稳定性不产生影响，具有导电陶瓷的化学稳定性和抗氧化性 能的特点。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。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担体的剥离，从而降低贵金属颗粒的溶解和团聚。陶瓷通常具有良好的化学稳定性和耐酸碱腐蚀的性能，但陶瓷的导电性普遍偏 低，将其用作催化剂担体不能构建催化剂层的电子通道，因此限制了其在燃料电池领域的 应用。本专利技术以碳包覆导电陶瓷为燃料电池催化剂担体，包覆的碳包覆层控制在0. 2 8纳 米厚度范围之内，碳包覆层对陶瓷的化学和电化学稳定性不会产生影响，所以此担体不但 具有碳材料的高导电性的特点，同时具有导电陶瓷的化学稳定性和抗氧化性能的优点。其 作为燃料电池催化剂担体的催化剂具有较高的电化学活性面积和抗氧化性能；同时通过碳 包覆对陶瓷表面进行了改性，使金属颗粒更容易沉积到担体表面，解决了陶瓷惰性表面不 容易吸附金属颗粒的缺点。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)。
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催化剂，本专利技术还提供该种催化剂的制备方法。本专利技术的一种燃料电池催化剂，其特征在于，所述的催化剂的担体为表面包覆有 一层纳米碳薄膜的导电陶瓷，所述的纳米碳薄膜的厚度为0. 2 8纳米。在所述的碳包覆 层厚度范围之内，碳包覆对陶瓷的化学和电化学稳定性不会产生影响，所以此担体不但具 有碳材料的高导电性的特点，同时具有导电陶瓷的化学稳定性和抗氧化性能的优点。本专利技术的燃料电池催化剂中，所述的导电陶瓷担体为SiC、TiO2, Ti407、ZrO2, SnO2, ZnO, RuO2, TiSi2, TiB2, TiN、TiC、WC、ZrC 或 B4C,粒径为 10 100 纳米。所述的催化剂为贵金属单质或贵金属合金，所述的贵金属合金为MxNy或MxNyOz， 其中 Μ、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，Μ、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，贵金属单质为 Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os 中的任意一种。本专利技术的燃料电池金属催化剂的一种制备方法是首先将导电陶瓷在低能碳氢离 子气氛中进行处理，通过离子沉积在陶瓷表面包覆一层纳米碳薄膜，然后在其表面负载催 化剂金属颗粒。碳薄膜厚度可以通过气体种类、热处理温度、气体流量和压力来控制，所述 的碳源是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙炔、乙烯、丙烯或丁烯等。具体的制备步骤如下步骤1、首先将导电陶瓷放在无水乙醇中超声分散，然后将配置好的溶液滴在硅衬 底上在其表面形成薄膜；将该薄膜样品放入考夫曼型气体离子源中，通入碳氢气体，保持压 力在2 7 X IO-1帕，并用能量为80电子伏特，电流强度为60微安/厘米2的电子束对样 品进行照射0. 5 4小时，样品的温度保持在400 800°C，制得碳包覆导电陶瓷担体；步骤2、将催化剂前驱体盐溶于去离子水或醇或醇水溶液中，在N2、He或Ar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 出稳定的金属催化剂胶体；步骤3、将步骤2制得的金属催化剂胶体，在室温下加入步骤1制得的具碳纳米薄 膜层的导电陶瓷担体，搅拌8 10小时，制备出以碳包覆导电陶瓷为担体的燃料电池催化 剂。其中，所述的碳氢气源是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙炔、乙烯、丙烯或丁烯；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前驱体盐为H2PtCl6、RuC13、PdCl2, IrCl3和Co(NO3)2等中的 一种以上。将制备的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，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，其中聚 四氟乙烯质量含量为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“/”表示 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，本专利技术催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池催化剂，其特征在于，所述的催化剂的担体为表面包覆有一层纳米碳薄膜的导电陶瓷，所述的纳米碳薄膜的厚度为０．２～８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，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83