[发明专利]一种氢燃料电池电极材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的电极材料制备方法，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的碳纤维纸表面原位生长的载铂碳纳米管及其制备方法。

背景技术

燃料电池是通过燃料和氧化剂发生电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置。燃料电池被公认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，它的研制与开发已成为国际能源领域研究的热点，并且将推动整个电动汽车、潜艇及发电工业的迅猛发展。

到目前为止，已经研究开发了多种类型的燃料电池，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化物型燃料电池之后的第五代燃料电池。由于运用了固态电解质高分子膜作为电解质，具有能量转化率高、低温启动、无电解池泄露、无腐蚀、寿命长、比功率高等突出的优点。PEMFC的研究已经成为诸类燃料电池研究大潮中的主流，是有希望最快实现商业化的燃料电池。

碳纳米管具有独特的一维管状石墨化结构，比表面积大、电阻低、化学稳定性高，是纳米催化剂的理想载体。将具有独特催化性能的贵金属纳米粒子负载在碳纳米管的表面，形成的贵金属纳米粒子/碳纳米管复合物不仅兼有两种纳米材料的优异性能，还可能产生新的特性。以碳纳米管作催化剂载体可增加催化剂负载量，载体上铂的分散度以及活性中心也明显提高。碳纳米管力学强度高，可在催化层中形成互穿网络结构，提高了催化层的强度，有利于改善膜电极燃料电池的耐久性，而且与传统的碳材料相比，碳纳米管中电子转移的动力学行为最好。因此碳纳米管在燃料电池催化剂载体方面有着很好的应用前景。

专利《直接在碳纸表面生长碳纳米管，再通过CVD法在其碳纳米管表面负载铂金纳米催化剂的碳纳米管电极及其制造方法》，专利号200710198794.7，也提出在碳纸表面生长碳纳米管并载铂作燃料电池电极材料，其制备方法是(1)将碳纸浸泡在硫酸水溶液中预处理并干燥；(2)将处理后的碳纸浸泡到镍、钴、铁化合物或其混合物的电球体水溶液中，反复进行超声波处理，使上述金属均匀分布在碳纸表面；(3)在负载有催化剂金属的碳纸表面通入气相碳源，维持适当的温度和压力，生长碳纳米管；(4)从生长的碳纳米管中除去镍、钴、铁或其混合物金属，并对碳纳米管进行表面处理；(5)在生长了碳纳米管的碳纸上面通入气相铂金电球体，保持一定的温度和压力，负载铂金纳米催化剂。

本专利方法是(1)采用离子溅射法在碳纤维纸表面溅射一层镍、铁或其混合物的催化剂，溅射过程中通入氩气保护；(2)在碳纸表面通入H₂，维持适当的温度和压力，使催化剂被充分还原；(3)在还原处理后的碳纸表面通入气相碳源，维持适当的温度和压力，在一定的射频功率和偏压下生长碳纳米管；(4)将生长了碳纳米管的碳纸在盐酸溶液中浸泡并干燥，除去铁、镍等金属；(5)将生长了碳纳米管的碳纸在氩气气氛下进行铂靶离子溅射，负载铂催化剂。本专利操作方法简单，碳纸无需预处理，由于碳纳米管生长过程中使用了等离子增强以及偏压等手段，碳纳米管生长密度大、管径均匀，离子溅射载铂颗粒小，在碳纳米管表面分布均匀，可以得到更好的催化性能。