[发明专利]一种质子交换膜燃料电池非铂氢阳极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池非铂氢阳极催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能转换为电能的装置，它具有能量转换效率高、环境友好、室温快速启动、比功率和比能量高等突出特点，被公认为是未来主流的供电装置之一。然而居高不下的成本一直是困扰其真正实现商业化的核心问题之一，其高成本的主要原因来自于贵金属催化剂铂的大量使用。相对于阴极氧还原反应，PEMFC阳极氢氧化反应具有过电位接近零、动力学反应速率快的特点，有望在使用非铂催化剂的情况下达到实际应用要求，因此，发展高效低成本的非铂阳极催化剂具有重要意义。

在各种非铂阳极催化剂中，铱基催化剂由于具有催化氢氧化反应过电位接近零、反应速率较高的特点，被认为是最有可能取代铂的阳极催化剂。目前，铱基催化剂的合成主要采用水热合成和还原气退火相结合的方法：文献[Int. J. Hydrogen. Energy, 2010, 35：5528–5538]报道了一种以水热还原法合成IrV/C催化剂的方法，该方法首先以乙二醇为还原剂和溶剂在120℃水热还原催化剂前驱体，然后在200℃还原气氛下对催化剂进行退火处理。文献[J. Phys. Chem. C, 2011, 115: 9894–9902]报道了一种IrNi/C核壳结构催化剂的合成方法，该方法首先以NaBH₄为还原剂对金属前驱体进行还原，对催化剂进行清洗后，再在还原气氛下对催化剂600℃高温处理。以上方法均制备出了具有一定氢氧化活性的铱基催化剂，然而，上述方法制备过程繁琐、影响因素多，高温热还原导致催化剂颗粒粒径增大，催化剂活性无法满足燃料电池实际应用要求。中国发明专利CN101411012A公开了一种“燃料电池用催化剂的制造方法”，该发明通过pH值调节，使各金属盐形成氢氧化物担载在导电载体上，再通过两步热处理合金化，制备出含铂、贱金属和铱的三元合金催化剂。但该方法存在耗能大、前后纯化工艺复杂、催化剂粒径较大以及催化活性不高的问题，难以满足商业化要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有铱基催化剂制备方法存在的问题，提供一种质子交换膜燃料电池非铂氢阳极催化剂的制备方法。本发明以浓氨水为络合剂首先形成镍氨络合阳离子；然后在水浴蒸干条件下，利用镍氨络合阳离子与铱络合阴离子间的静电吸引作用将镍铱前驱体均匀地沉淀在导电碳载体表面；最后通过氢气气氛热处理，使Ir、Ni从络合物中同步缓释、还原、合金化形成成分均一、纳米粒子分布均匀的碳载铱镍合金催化剂。本发明大大简化了传统的铱基催化剂制备方法，所制备的催化剂表面清洁、粒径小、高分散，金属利用率及氢氧化活性得到有效提高。

本发明的目的是这样实现的：一种质子交换膜燃料电池非铂氢阳极催化剂的制备方法，其具体方法步骤包括

（1）碳载体的功能化

取500ml圆底烧瓶，称取1克市售Vulcan XC-72碳粉，加入30%过氧化氢︰浓硫酸体积比为1︰4的混合溶液150毫升，超声并搅拌3小时后，用超纯水稀释，静置24小时后滤出上层清液，经多次离心洗涤，烘干，研磨后得到功能化Vulcan XC-72碳粉。

（2）碳载铱镍络合物的制备

按功能化Vulcan XC-72碳粉︰铱前驱体︰镍前驱体︰柠檬酸钠的质量比1︰0.1～2︰0.05～1︰0.2～2分别称取步骤（1）所得功能化Vulcan XC-72碳粉、铱前驱体、镍前驱体和柠檬酸钠；先将功能化Vulcan XC-72碳粉加入去离子水中，超声分散10～60分钟，形成均匀分散的功能化Vulcan XC-72碳粉悬浮液，其中功能化Vulcan XC-72碳粉的质量浓度为3～25毫克/毫升；然后依次加入铱前驱体、镍前驱体和柠檬酸钠，先超声分散10～60分钟，继续搅拌6～24小时，再用质量浓度为28%的氨水调节pH值至11～13，密封搅拌6～24小时，然后在50～80℃水浴烘干、研磨成粉，得到碳载铱镍络合物。

其中所述铱前驱体为氯铱酸、氯铱酸钠、氯亚铱酸钠的其中之一；镍前驱体为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍的其中之一。

（3）碳载铱镍合金催化剂的制备

将步骤（2）所得的碳载铱镍络合物在氢气︰氩气体积比为1︰1～8，气体总流量为100～800毫升/分钟的混合气氛下300～700℃热处理1～3小时，在混合气氛下自然冷却，最后水洗、真空干燥得到碳载铱镍合金催化剂。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点：