[发明专利]提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂技术领域，具体涉及提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法。

背景技术

燃料电池作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，已受到世界各国的高度重视。其中电池中阴极的氧还原反应是影响燃料电池性能的最重要的因素之一，而氧还原的关键问题是阴极催化剂的催化活性、稳定性、耐渗透性及成本的高低。作为阴极氧还原活性催化剂，贵金属铂、钯、釕和金已引起人们广泛的注意，但存在成本较高、资源相对匮乏、耐燃料的渗透性能较差（特别是耐甲醇性能差）且其负载在一些载体上容易脱落而很不稳定，从而导致催化剂的使用寿命短、利用率低的问题，同时这些催化剂还存在成本较高的问题而限制燃料电池的应用。为降低氧还原催化剂的成本，化学工作者开始把注意力转向低负载量的贵金属多元金属催化剂和价格相对比较低廉的非贵金属催化剂，大量的研究表明虽然非贵金属催化剂的耐甲醇渗透性能要好于贵金属催化剂，但其氧还原活性及稳定性都明显低于贵金属催化剂，同时由于所采用的非贵金属活动性比较强，往往会参与电极反应而表现得很不稳定性，使用寿命低，利用率较差。为改变燃料电池金属催化剂所存在的问题，目前已有很多的研究者把目光转向非金属催化剂，并取得一定的进展，如用氮掺杂或磷掺杂石墨作燃料电池的阴极催化，由于掺氮或掺磷石墨在碱性条件下的氧还原催化活性、稳定性、耐燃料渗透性都明显高于贵金属催化剂，且其生产成本也相对较低，有望取代贵金属催化剂。

但现在对于酸性条件下比较成熟的质子交换膜燃料电池技术来说，人们迫切需要获得酸性条件下氧还原性能较好的非金属催化剂，而我们的研究表明通过在非金属碳催化剂表面引入有机官能团和微量贵金属铂可以明显改善酸性条件下碳催化剂的氧还原活性。目前，关于这种引入官能团和微量贵金属提高燃料电池阴极碳催化剂催化性能的研究还未见报导。

发明内容

本发明的目的是克服现有大量使用贵金属氧还原催化剂的缺点和促进燃料电池的进一步应用，提供提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法，本发明通过引入有机官能团和微量贵金属来提高燃料电池阴极碳催化剂的氧还原性能。本发明的技术方案如下：

提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法，通过引入有机官能团和微量贵金属提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能，具体是在酸性条件下通过循环伏安或线性扫描电化学处理碳催化剂（三电极体系中对电极为铂电极），在碳催化剂表面引入有机官能团和微量贵金属来提高氧还原活性。

上述提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法是在HClO₄或H₂SO₄酸性条件下通过循环伏安或线性扫描电化学处理碳催化剂；使碳催化剂表面引入有机官能团和微量贵金属。

上述提高质子交换膜燃料电池阴极碳催化剂氧还原性能的方法中，所述电化学处理时间为5 ～ 50 h，循环伏安电化学处理的电位为-0.15 ~ +1.0 V ，扫描速率为50-200 mV/s ；线性扫描时电极转速为300 ~ 5500 rpm，电位为-0.15 ~ +1.0 V ，扫描速率为10-50 mV/s。

在碳催化剂表面引入有机官能团和微量贵金属的方式来改善氧还原活性。

本发明与现有技术相比具有如下的优点及效果：

（1）采用上述方法引入有机官能团后的碳催化剂，其氧还原催化活性、稳定性、耐燃料渗透性都明显高于目前最常用的贵金属含量较多的催化剂，可用于酸性条件下的质子交换膜燃料电池。

（2）该催化剂制备方法简单，相对贵金属催化剂成本低廉且容易扩大生产；且在酸性条件下氧还原的电催化活性高，该催化剂的开发有望促进酸性燃料电池的大规模应用。

（3）与现有的技术相比，本发明的引入有机官能团和微量贵金属提高燃料电池阴极碳催化剂催化性能方法简单、成本相对较低、操作可控性强且氧还原催化活性高。

附图说明

图1为本发明实施例1的线性扫描电化学处理后的玻璃碳催化剂电催化氧还原的极化曲线。

图2为本发明实施例1的线性扫描电化学处理后的与处理前的玻璃碳表面有机官能团红外图。

图3 为本发明实施例1的线性扫描电化学处理后的与处理前的玻璃碳表面扫描电镜形貌图。

图4为本发明实施例3制备并电化学处理过且在干燥器中放置一个月以后磷掺杂碳纳米管催化剂的电催化氧还原的循环伏安图。

具体实施方式