[发明专利]燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池在能量转化过程中发生电化学氧化还原反应，该反应需要在催化剂的作用下才能实现。目前广泛使用的催化剂主要以贵金属Pt、Pd、Ru、Ir等或Pt-M（M为Ru、Co、Ni、Mn等）合金为主。以应用最为广泛的Pt为例，为了提高催化剂利用率，减少贵金属用量，降低成本，通常采取H₂PtCl直接还原法、胶体Pt溶胶法、离子交换法等手段将贵金属Pt以纳米粒子形式高度分散在比表面积较大的导电、耐腐蚀载体上，如乙炔炭黑（Vulcan XC-72R，平均粒径30nm，比表面积250m²/g），即制得高分散的Pt/C电催化剂。

虽然原生的炭黑粒子粒径很小，但炭黑表面的极性和非极性基团含量很低，与其他物质（如高分子聚合物、有机溶剂、水等）之间的亲和力远弱于炭黑粒子之间的凝聚力，因此炭黑很难稳定的分散于各种介质中，大多以尺寸较大的团聚体存在，从而显著降低了其比表面积，减小了催化层中三相反应区域，降低催化剂利用率，导致贵金属担载量大幅增加。以目前广泛使用的质量分数40%的Pt/C电催化剂为例，由于炭黑粒子的团聚，比表面积降低为67.5m²/g，仅是理论值的25%左右。专利CN1747785A“基于混合碳载体的改进的聚合物电解质膜燃料电池电催化剂”中记载了将比表面积为250m²/g的Vulcan XC-72R炭黑为载体的载Pt催化剂（催化剂1）和比表面积为600～1000m²/g的Ketjen炭黑为载体的载Pt催化剂（催化剂2）混合使用，增加了常规Pt/C(Vulcan XC-72R炭黑)催化剂的比表面积，提高了催化剂活性。但是所添加的Pt/C(Ketjen炭黑)催化剂所使用的Ketjen炭黑载体比表面积大，粒径小，分散更加困难，催化层中有效反应区域所占的比例更低，贵金属的利用率也更低；同时此催化剂也更易迁移和团聚，随着电化学反应的进行，催化剂的催化效果逐渐减弱，电池效率逐渐降低。因此，如何有效提高催化剂载体的有效比表面积，改善催化剂中贵金属的分散度，提高催化剂催化活性，降低贵金属担载量，已经成为降低质子交换膜燃料电池成本的重要研究方向。

发明内容

本发明旨在提供一种燃料电池膜电极及其制备方法，以解决现有技术中存在的制备工艺复杂、成本较高的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池催化剂，包括作为催化剂载体的纳米炭微球以及负载于纳米炭微球上的金属催化剂。

进一步地，纳米炭微球的平均粒径为20～50nm，球形度为70～90%，比表面积为150～300m²/g，孔分布为10～100nm。

根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：制备纳米炭微球，并通过浸渍法将金属催化剂负载到纳米炭微球上，得到燃料电池催化剂；或者将用于制备纳米炭微球的两亲性炭材料溶液与金属催化剂形成混合溶液，利用原位负载法制备得到燃料电池催化剂。

进一步地，制备纳米炭微球的步骤包括：将两亲性炭材料溶液进行冷冻、干燥、升华，得到纳米微球；或者将两亲性炭材料溶液加入到有机溶剂中，搅拌，静置分层，分离，烘干，得到纳米微球；以及将纳米微球进行炭化处理，得到纳米炭微球。

进一步地，浸渍法包括：将具有催化作用的金属盐溶液与纳米炭微球以质量比50:1～1000:1混合，搅拌，得到混合液A；向混合液A中加入甲醛溶液，搅拌，得到混合液B；将混合液B分离，烘干，得到固体；以及将固体分别于200℃～400℃和800℃～1000℃进行热处理，得到以纳米炭微球为载体的燃料电池催化剂。

进一步地，原位负载法包括：将具有催化作用的金属盐溶液与两亲性炭材料溶液以质量比5:1～100:1混合，搅拌，得到混合液C；向混合液C中加入甲醛溶液，搅拌，得到混合液D；将混合液D冷冻干燥，真空处理，烘干，得到固体；或者向混合液D中加入有机溶剂，搅拌，静置分层，分离，烘干，得到固体；以及将固体在惰性气氛下分别于200℃～400℃和800℃～1000℃进行热处理，得到以纳米炭微球为载体的燃料电池催化剂。

进一步地，在将混合液B分离前还包括：向混合液B中加入水溶性碱调节溶液体系的pH为8～9，搅拌20～120分钟。