[发明专利]一种溶剂热法还原的燃料电池碳载铂基催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种溶剂热法制备燃料电池碳载铂基催化剂的方法，应用于质子交换膜燃料电池，包括氢‑氧燃料电池和直接醇类燃料电池阴极反应中，属于电化学催化反应领域。本发明使用溶剂热法还原处理，将载体碳材料充分分散在溶剂中，在搅拌下加入金属前驱体溶液，活性组分的质量百分含量在制得的催化剂中达到20wt％至60wt％，并用碱性溶液调节溶液的pH值至9以上，然后将混合液在高温高压的密封反应容器中发生反应。反应后用酸性溶液调节pH值低于5，反应液经过滤、洗涤、干燥并研磨后得到碳载铂基电催化剂。本发明所制得的催化剂活性组分粒径小，且高度均匀分散在碳载体上，具有较高的活性。本发明的制备工艺操作简单、反应快速、耗能较少、成本低廉，易于实现大批量工业化生产。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池催化剂领域，包括氢-氧燃料电池催化剂和直接醇类燃料电池催化剂，涉及一种碳载铂基材料的制备方法，尤其涉及使用密封反应容器在高温高压下的溶剂热制备方法与应用。

背景技术

燃料电池是一种将化学能转化为电能的能量转化装置，具有能量转化效率高、环境污染小和燃料携带补充方便等优点而备受人们关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，由于具有能量密度高、操作温度低、无污染等优点而倍受关注。PEMFC的燃料来源一般有两种：一种直接利用纯氢气或重整富氢气作燃料称为氢-氧燃料电池；另一种是直接利用有机小分子作燃料称为直接燃料电池，例如直接使用甲醇(乙醇)做燃料的电池称为直接醇类燃料电池(DAFC)。以氢气作为原料气的氢氧燃料电池是最理想的化学电源，它工作时发生的电化学反应产物是干净的水，对环境没有任何污染。而直接甲醇燃料电池因其以固态聚合物质子交换膜为电解质，直接利用液态甲醇为燃料，无需外部重整，在过去的20年中被广泛研究，并被认为可以发展为便携式电子设备和电动车辆的电源。

然而，阴极氧还原反应(ORR)是限制PEMFC性能的瓶颈，由于其动力学速率的缓慢，高效稳定的氧还原反应催化剂是必须的。目前使用的催化剂都存在着成本高、寿命短、易失活等缺点，因此开发高活性阴极催化剂对于PEMFC商业化应用具有重大意义。

碳载铂基(Pt/C)催化剂是目前质子交换膜燃料电池中广泛使用的阴极催化剂。尽管催化剂所需的贵金属Pt的储量稀少，价格较贵，但由于其在电解质中的稳定性好，ORR催化活性高，仍被认为是最好的燃料电池阴极催化剂。目前无论是在基础研究还是在应用开发领域，Pt/C催化剂仍是质子交换膜燃料电池催化剂的研究热点。

当前，Pt/C的生产方法有浸渍还原法、脉冲微波助多元醇还原法、保护剂法、回流法、胶体法和微乳液法等，其中采用不同的制备方法，对催化剂的活性物质分散性、粒径尺寸、稳定性等物化性质有着决定性的作用，而这些物化性质与催化剂的活性密切相关；另一方面，太过复杂繁琐的操作步骤也会给催化剂的大规模生产、工业化应用带来阻碍。如保护剂法可通过表面活性剂或者其它有机大分子作保护剂制备高度分散的纳米贵金属颗粒，并将其担载到载体上，即使在贵金属担载量较高的情况下也仍然能获得非常高的金属分散度，可以制备多种元素的合金催化剂。但是该方法对溶剂、表面活性剂或保护剂及操作条件要求很高，同时操作复杂，成本较高并且不易于大批量生产。

发明内容

针对现有制备技术的不足，本发明的目的在于提供一种使用密封反应容器高温高压制备用于燃料电池的碳载铂基电催化剂的方法。本发明可以简单、有效、低成本地制备高活性的碳载铂基催化剂，由于其反应是在高温高压条件下一步反应，因此该反应极易扩大化生产；同时，所制备的催化剂颗粒小且粒径分布均匀，催化活性优于现行商业化碳载铂基。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种应用燃料电池的碳载铂基电催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将碳基材料通过超声和搅拌均匀分散在醇溶液中；具体而言，在室温下，将碳载体和醇类还原剂按照1：200～900的质量比混合并充分分散；