[发明专利]一种可用于负载型燃料电池催化剂制备的微波反应器

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂制备领域，涉及到一种新型催化剂制备装置。

背景技术

燃料电池(Fuel Cells)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。由于能量转化过程不受卡诺循环限制，使燃料电池成为学术界和实业界关注的焦点。更为重要的是，随着近年来经济和社会的持续发展，能源短缺与环境污染问题日益加剧，燃料电池具有排放少甚至“零排放”的优势，成为未来汽车、分散式电站和便携式电器的理想替代电源。近年来，车用燃料电池技术的发展方向逐渐明确，质子交换膜燃料电池被确定为最适合车辆应用的燃料电池技术。我国在国家中长期发展纲要中也明确将燃料电池作为前沿技术-“先进能源技术”的重要内容，并在“十一五”计划中将之列为各项新能源技术之首，明确提出要重点研究燃料电池关键材料制备和电堆集成技术。

燃料电池通常由双极板，气体扩散层，电催化剂层和质子交换膜等部分构成。电催化剂是燃料电池的关键材料之一，是电池反应的核心，也是燃料电池能否走向商业化的最关键因素之一(J.Am.Chem.Soc.，125(2003)2408；Front.Biosci.，10(2005)492；Nano Lett.，4(2004)191；Electroanalysis，16(2004)145；Electrochem.Commun.，4(2002)743)。目前催化剂主要是负载型Pt催化剂。Pt电催化剂主要可以分为Pt金属直接作为电催化剂和负载型Pt电催化剂两种。Pt金属直接作为电催化剂研究主要集中在大块Pt电极和铂黑电极。采用铂黑制作的电极，不仅成本高，Pt利用率也低。比如，20世纪60年代铂黑用于双子星座飞行器氢氧燃料电池，其电极Pt载量高达几十毫克。即使在80年代末期加拿大Ballard公司开发的Mark 500型5kW氢氧燃料电池电极Pt的载量也在2-4mg/cm²。为提高Pt利用率、降低电极成本和提高电催化剂性能，通常是把Pt电催化剂负载在炭载体上以提高金属分散度和活性。贵金属在高比表面积的炭材料上高度分散，Pt原子簇颗粒粒径可以做到很小，Pt负载量可以把从铂黑的9mg/cm²以上降低到0.1-0.5mg/cm²；而电极性能与高Pt含量的铂黑电极相当。

一般来说，对于负载型Pt催化剂，Pt金属的粒径范围通常在1-100nm之间。负载型Pt/C金属纳米催化剂的制备已有很长的研究历史，大体可分为物理法(如气相物理沉积，微波沉积等)和化学法两大类。化学还原法一般过程是把催化剂载体在液相溶液中分散均匀，然后加入Pt的前驱体。当达到Pt前驱体的均匀分散后，通过改变工艺条件进行Pt的定位和沉积。对化学还原法Pt/C制备中溶剂、还原剂、稳定剂的种类，原料配比对Pt纳米颗粒大小、分布和形态的影响，国内外进行了大量的研究，但绝大多数研究工作偏重于而且停留于制备方法；合成的规模也很小，制备量仅供检测和表征使用。

另一方面，在化学还原法制备催化剂过程较为复杂。同时，为了控制Pt金属的粒径和分散度，需要较长的时间周期。通常，为了使得碳载体在EG溶液中有较好的分布，一般需要首先在超声环境中搅拌30min，之后再反应器中进行搅拌4h。之后，为了达到Pt金属前驱体在碳载体上有较好的分布，需要对加入Pt金属前驱体的溶液进行搅拌混合4h。再进行反应。为了保证粒径的分布，必须使得Pt前驱体的结晶过程极为缓慢，从而抑制Pt纳米金属粒径变大(通常指大于3nm)，反应时间通常为4h左右。如果加上后续的过滤，干燥等环节，目前EG法制备催化剂的制备时间要超过24h。这在实验室研究阶段勉强可以接受，但是在商业化生产过程中，则不可接受。