[发明专利]一种低温燃料电池用氮化三维载体担载铂钴铱合金结构催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种低温燃料电池用氮化三维载体担载铂钴铱合金结构催化剂的制备方法。具体的说是，首先将碳纳米管氧化预处理，再进行氧化石墨烯还原及其与含氧碳纳米管的氮化及三维组装，接着进行完成二维TaC纳米片层在三维组装载体上原位合成，继而完成金属纳米颗粒的担载，之后除去PtCoIr合金纳米颗粒中的不稳定的钴元素，最后热处理促使PtCoIr合金纳米颗粒的充分合金化。测试发现，其氧还原催化活性与稳定性良好。采用该制备方法得到的电催化剂在低温质子交换膜燃料电池方面具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种低温燃料电池用氮化三维载体担载铂钴铱合金结构催化剂的制备方法。

背景技术

低温质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将储存在燃料电池的化学能转化为电能的发电装置。低温燃料电池由于具有能量转化效率高和环境友好等优点，被认为是有可能取代内燃机、在汽车领域有着广泛应用前景的技术。然而，燃料电池的商业化也面临着许多重要的挑战，其中之一便是其阴极氧还原(ORR)催化剂Pt的高成本。Pt基催化剂作为目前最广泛使用的低温燃料电池ORR催化剂，其交换电流密度仅为10^-10A cm^-2。低的ORR活性意味着需要使用更多的ORR催化剂和更高的成本。据测算，燃料电池的电堆成本大概是整个燃料电池系统的成本的50％。而采用Pt作为电极催化剂，催化剂成本将占到电堆成本的38％-56％。我们知道，燃料电池电堆中的某些组件(如膜、双极板)可以通过市场的“规模效应”来最终降低其生产成本。但Pt作为一种不可再生的资源，价格对需求的变化反应十分灵敏。按照Pt利用率为0.2g Pt/kW进行计算，如果全世界每年生产1亿辆功率为50kW的燃料电池汽车，那么需要市场每年提供1000吨Pt。目前世界Pt的年产量仅为200吨，探明储量为40000吨。可以想象，燃料电池汽车商业化对Pt的巨大需求，必将导致Pt价格的飞涨。因此，研究开发廉价且具有高活性和稳定性的Pt基ORR催化剂具有重要的应用价值。

在PEMFC的众多ORR催化剂中，活性碳担载的铂钴合金催化剂具备较好的活性及稳定性。但是，燃料电池的酸性及高电位的较为苛刻的工作环境中，铂钴合金催化剂在长期使用过程中仍然难以避免其中钴元素的流失，导致催化剂活性下降，并且对燃料电池中的膜等配件产生一定的影响。

中国专利CN 201480002413.1公开了一种方法，在燃料电池催化剂载体用氧化锡中引入钽，提高导电性，并且提高金属纳米颗粒活性组分在载体上的分散性，但并未考察其作为载体添加剂的效果。中国专利CN 101171712B公开了一种方法，将TO₂、TaB和TaN等引入燃料电池催化剂的载体，提高载体导电性和耐腐蚀性，同时提高活性组分的分散性及稳定性。该专利指出TaC在95℃的0.5M H₂SO₄水溶液中稳定性显著优于WC、TiN、TiC、ZrC，但并未将TaC引入载体。

中国专利CN 201410742322.3公开了一种方法，先制备出镍/钴载石墨烯复合材料，再通过化学气相沉积在石墨烯上生长直立有序的碳纳米管，最后将铂还原于载体石墨烯-阵列碳纳米管上。该种载体具有特殊的结构，直立有序的碳纳米管生长于石墨烯上不但有较大的比表面积可以提高铂的利用率，还为电催化反应提供了畅通的离子、电子通道，有利于提高电催化反应速率，最终有利于提高催化剂的催化效率和贵金属的利用率。充分证明碳纳米管与石墨烯的复合材料作为载体的高稳定性与高分散作用。