[发明专利]一种SPE电解池用氮掺杂石墨烯载Ir-Ru催化剂的制备方法

说明书

本发明提供了一种SPE电解池用氮掺杂石墨烯载Ir‑Ru催化剂的制备方法，其包括制备氮掺杂石墨粉、制备氮掺杂石墨粉聚合体、制备氮掺杂石墨烯载Ir‑Ru混合液以及制备产品。本发明提供的方法，大幅提高了Ir‑Ru催化剂的利用率，提升了Ir‑Ru催化剂的性能和稳定性，具有质子传输功能，大幅度降低了成本。本发明提供的技术方案采用间歇微波的方式，能很好控制反应温度，温升均匀，重复性好。

技术领域

本发明涉及新能源及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用具有质子传输功能氮 掺杂碳载铂基的制备方法及其制备的催化剂。

背景技术

随着经济的发展，能源危机日益严重，能源问题已成为当今世界面临的重大难题，新能 源材料及其利用方式的重要性日益凸显。作为一种高效清洁的电化学发电装置的燃料电池， 其中的质子交换膜燃料电池以能量转换效率高、无污染、系统结构简单、能量密度高和燃料 携带补充方便等优点受到人们的青睐。

SPE电解池的析氧催化剂通常采用析氧过电势小而且强耐腐蚀能力的铂族贵金属或其氧 化物，虽然非贵金属催化剂是重要的研究方向，但其活性低、耐久性差目前还无法取代铂族 催化剂。SPE阳极析氧电势高(1.5-1.8V vs RHE)，大多数金属都会在此强酸和强氧化性的环 境中溶解，因此阳极催化剂一般选择析氧反应催化活性高而且在酸性环境能够稳定存在的贵 金属Ir和Ru及其氧化物。Yamaguchi等人研究了不同贵金属催化剂的析氧活性强度从大到 小的顺序是：RuO2Ir-Ru混合物IrO2Ir-Pt混合物Ir黑Rh2O3Pt黑。从活性和稳定性上 讲，Ir-Ru混合物是目前SPE电解池的最佳析氧催化剂。

不同的制备方式对于催化剂的尺寸、形貌和分散方式等能产生很大影响，继而影响到催 化剂的活性和稳定性。就Ir-Ru基催化剂的稳定性而言，目前仅在Ir-Ru纳米粒子在电池运行 条件下的溶解、团聚、电化学烧结等方面对催化剂的稳定性做改进。实质上，导致Ir-Ru催 化剂不稳定的因素是Ir-Ru与石墨烯载体之间的弱相互作用。

近年来，研究表明在碳材料中进行微量元素(N、B等)掺杂或修饰，可以改变碳载体的 物理、化学性能，改善Ir-Ru与石墨烯载体的相互作用，从而使其具有优异的稳定性。该法的 弊端在于并没有改变Ir-Ru催化剂质子的传导功能，仅从Ir-Ru颗粒的尺寸、形貌、分散以及 与载体C的结合力等原材料角度改善SPE电解池的性能、成本和耐久性。但是，Ir-Ru催化 剂制备的燃料电池膜电极必须兼顾电化学反应三相界面以及电子、质子、气体和水的传质微 通道等多种因素。因此，Ir-Ru催化剂不仅要考虑Ir-Ru颗粒的尺寸、形貌、分散以及与载体 C的结合力，而且更要考虑到电化学反应过程中的多相传质能力。

目前，已公开的Ir-Ru催化剂均没有质子传导功能，而是在制备SPE电解池膜电极器件 过程中，加入质子交换溶液(如Nafion D520)配制催化剂浆料，然后采用热压法、喷涂法等 方法在质子交换膜表面上制备几微米厚的催化层，质子交换溶液的加入赋予了催化层质子传 导能力，形成电池内部的质子运输回路，与外电路的电子运输回路闭合，从而实现制氢功能。 然而，Ir-Ru催化剂与质子交换溶液(如Nafion D520)所制备的催化层中，离子相(如Nafion 聚合物)呈无序纳米薄膜态，导致了Ir-Ru催化剂的实际利用率不到30％。

因此，需要提供一种在增强Ir-Ru催化剂的Ir-Ru与C载体结合力的同时，能赋予C载 体质子传导功能，提高Ir-Ru利用率的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时具有电子传导能力和质子传导能力的Pt/C催化剂的制备 方法。

为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：

一种SPE电解池用氮掺杂石墨烯载Ir-Ru催化剂的制备方法，所述制备方法包括如下步 骤：

(1)制备氮掺杂石墨烯粉：

在惰性气氛下对经干燥的氮源溶液浸渍的石墨烯热处理和研磨；