[发明专利]质子交换膜燃料电池阴极氧还原电催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池阴极氧还原电催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜(PEM)燃料电池(FC)电池是以氢气和空气中的氧气作为燃料，水是反应的唯一产物。其基本工作原理是，氢分子在负极中的电催化剂材料(一般是Pt-C)上发生氧化反应被分解成一个电子和氢质子，其中电子通过外部线路流入正极形成电流，而氢质子通过PEM流入正极，与正极的氧分子在正极电催化剂(一般是Pt-C)上发生还原反应生成水分子。由于具有高能量密度，高效率，对环境没有污染等特点，质子交换膜(PEM)燃料电池(FCs)一直以来被广泛的研究。包括丰田，GM，福特等国际大汽车公司都在研究开发PEM-FC燃料电池汽车，其中丰田与2014年底发布了其“Mirai”PEM-FC汽车的商业化。

目前最常用的正负极电催化剂均为Pt-C复合材料。在正极电催化剂表面上发生的反应被称为氧还原反应(ORR)。ORR是制约PEM燃料电池性能和成本的关键化学反应。由于大量使用贵金属Pt，ORR电催化剂在整个PEM-FC的成本中占很大比例。所以开发廉价高性能的OOR电催化剂对于PEM-FC技术的商业化有着重要的作用。

发明内容

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池阴极氧还原电催化剂，以解决现有催化剂材料金属颗粒团聚形成晶格结构，活性低的问题。

一种质子交换膜燃料电池阴极氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：将碳基材料浸入还原剂水溶液中，取出后再浸入金属盐水溶液，取出反应完成后，洗涤、真空干燥，制得成品。

还原剂可以是联氨、次亚磷酸纳、草酸、硼酸化钾、硼酸化纳或乙醇，优选的，还原剂为联氨或次亚磷酸纳。

金属盐可以是铌盐、钌盐、银盐、钯盐、铂盐、金盐、锰盐、钴盐或镍盐，优选的，金属盐为铂盐。

优选的，所述还原剂水溶液的浓度为0.1-1mol/L。

优选的，所述金属盐水溶液的浓度为1-10mmol/L。

优选的，所述碳基材料在还原剂溶液和金属盐溶液中的浸渍时间不超过30s，过长的浸渍时间会导致物料堵塞孔隙，降低材料的催化活性。

优选的，所述碳基材料为活性炭、石墨、石墨烯、碳纳米管或碳布，更优选为活性炭。

优选的，所述碳基材料浸入还原剂的水溶液前经真空干燥处理。

优选的，所述碳基材料从还原剂溶液取出后再空气中静置0.5-2小时，再进入金属盐溶液。可以让还原剂溶液充分渗入碳基材料的空隙内，将碳基材料暴露空气一段时间，可以让物料充分渗入材料孔隙，增加金属纳米的比表面积。

本发明通过原位还原的方法将金属原子沉积在碳基材料表面，无需经过煅烧，催化剂中的金属纳米颗粒为非晶格结构，还原活性高，而且工艺流程简单，制造成本低。

具体实施方式

实施例一

选用市售活性炭(Fluka)、PdCl₂(Aldrich，99.999％)、NaH₂PO₂·H₂O(Aldrich，≥99％)。另选市售的2.0wt％的Pt-C、2.0wt％的Pd-C样品作为对照。

(1)取30mg的活性炭，在真空中100℃下干燥2小时。

(2)称量2.12克NaH₂PO₂·H₂O，溶于100ml脱离子水(DI-H₂O)中配置成0.2M NaH₂PO₂水溶液(溶液A)。

(3)称取35.5mg PdCl₂，溶于100ml脱离子水(DI-H₂O)配制成2mM的PdCl₂水溶液(溶液B)。

(4)将干燥后的30mg活性炭在2ml溶液A中浸渍10秒后，在空气中静置1小时。

(5)然后再在1.7ml溶液B中浸渍10秒后，在空气中静置1小时。

(6)在真空环境下，将材料用去离子水洗涤2次以后，静置中2小时，继续在真空中80℃处理2小时。

干燥好的样品标示为Pd-P样品。

采用旋转圆盘电极装置(RRED)对相同样品重量的上述样品进行氧还原电催化活性测定。该实验是利用RRED装置通过线性扫描伏安法在氧饱和的KOH溶液(0.1M)中对上述氧还原催化剂进行评价的，结果如表1所示。

表1