[发明专利]一种电催化材料、制备方法以及质子交换膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池的铂铁合金催化剂的制备方法，包括：使用高分子有机物作为引发剂，与溶液中的铁离子发生絮凝反应，发生相分离从而生成均一分散的Pt‑Fe胶束前驱体，从而制备高性能纳米颗粒催化剂，采用有机氮源对催化剂进行掺杂改性，提高催化性能。本发明提供的方法与现有技术相比，采用了一种简单易行的方法提高了催化剂颗粒在碳基底上的负载分布以及颗粒大小的均一性，实现了降低催化剂生产成本并提高产量的目的。

技术领域

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池的铂铁合金催化剂，以及这种催化剂的制备方法以及含有该催化材料的质子交换膜燃料电池，属于新能源材料与应用领域。

背景技术

燃料电池发电不经过燃烧过程，是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，其具有能量转化效率高，功率密度大，反应清洁无污染等多种优势，已经成为世界主流的下一代绿色能源装置。

在众多类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cells，PEMFC)由于其在室温到100℃之间就可以稳定运行，安全无污染，不使用腐蚀性电解液或高温熔盐，并且能量密度和功率密度远超目前的锂离子电池体系，作为新一代能源技术应用前景广阔，市场潜力巨大。膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)是质子交换膜中的核心部件，其主要由质子交换膜，阴、阳极电催化剂涂层，气体扩散层三部分组成。在这其中，电催化剂的性能主要决定了装置的发电性能。由于目前商业化的电催化剂均为贵金属铂（Pt）催化剂，其高昂的成本以及材料稀缺性成为了质子交换膜燃料电池商业化应用的最大障碍。在过去的几十年中，学术界和产业界就开始致力于探索开发新型的电催化剂，从而降低催化剂中贵金属的用量甚至不使用贵金属，以降低其生产成本。目前而言，发展的最为成熟的工艺方法为采用二元或多元合金催化剂，使Pt与钌（Ru）、钴（Co）、镍（Ni）和铁（Fe）等组成二元或多元合金，产生协同效应，同时降低Pt的使用量。铁是一种资源丰富并且价格便宜的金属元素，一系列研究表明，铂和铁形成具有一定结构的合金材料后，可以提高电极的电化学催化活性和稳定性。

目前合成铂合金催化剂普遍采用的生产方法是浸渍高温还原法，该生产工艺具有对原材料要求低，所需设备简单，过程简单易放大的优点。然而，该方法的主要问题是在金属盐原料的溶液浸渍复合以及高温煅烧生成铂合金相结构这两个步骤中，都会不可避免的发生催化剂颗粒在负载碳上的相互团聚和长大，使产品催化剂的颗粒均一性和性能降低。

发明内容

本发明的目的是改进上述工艺中出现的催化剂颗粒在高温煅烧过程中相互团聚和长大的问题，主要提供了一种简单易行的制备工艺提高了催化剂颗粒在碳基底上负载分布以及颗粒大小的均一性，其主要通过以下技术特征实现：将铂，铁原料按计量比溶解于水相中，并加入有机氮源形成均一溶液相，采用高分子化合物作为引发剂，加入至上述溶液相中，发生絮凝反应造成相分离，反应完成后溶液相转变为不透明的胶体相，再加入碳基底，使催化剂均一负载于碳载体上，冷冻干燥后，经过两步焙烧处理，洗涤，烘干后得到所述的铂铁催化剂。

本发明的第一个方面，提供了：

一种电催化材料，所述的电催化材料是铂铁催化剂，并且铂铁催化剂纳米颗粒尺寸在1～20 nm。

在一个实施方式中，铂铁催化剂是Pt₃Fe或者PtFe。

在一个实施方式中，所述的铂铁催化剂纳米颗粒尺寸在2～15 nm。

在一个实施方式中，所述的铂铁催化剂纳米颗粒尺寸10nm。

在一个实施方式中，所述的电催化材料是以碳作为基底。

在一个实施方式中，所述的铂铁催化剂纳米颗粒在基底上均匀分布。

在一个实施方式中，电催化材料与碳基底质量比为0.2～1：1。