[发明专利]一种具有阵列结构的燃料电池铂钴合金催化剂及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种具有阵列结构的燃料电池铂钴合金催化剂及制备方法。该方法通过铂盐与钴盐在有机溶剂中形成Pt/Co有机络合物，在磁场作用下，钴被磁化，带动络合物基团分散在种晶颗粒周围，通过高温热处理形成铂钴合金阵列结构，制得铂钴合金催化剂。与传统方法相比，本发明制备的铂钴合金催化剂，通过Co的强铁磁性与Pt复合后进行在外加磁场作用，在热处理过程中将有机相碳化形成无定型碳包覆层，有效抑制了纳米颗粒的团聚，提高了其分散性，确保了催化剂的稳定性，可广泛用于燃料电池领域。

技术领域

本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种具有阵列结构的燃料电池铂钴合金催化剂及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H₂失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。

质子交换膜燃料电池的膜电极是其核心组件，由质子交换膜、催化剂、气体扩散层复合而成。传统催化剂材料如铂基材料需要负载在碳载体上，无法直接负载与气体扩散层上。因此，碳载体是质子交换膜燃料电池催化剂的关键材料之一，它不仅直接影响催化剂的粒径、分散度及活性，而且影响催化层的导电性、传质及电化学比表面积等。催化剂的载体必须具有较高的电导和较大的比表面积。并在电池工作条件下较为稳定。使贵金属高度分散并能阻止其微晶再聚结。

目前国内外在质子交换膜燃料电池技术，尤其是膜电极催化剂及其载体方面已取得了一定成效。其中秦晓平等人发明了一种燃料电池合金催化剂的制备方法（中国发明专利申请号201410637397.5），此发明以铂基催化剂为基底，在其表面沉积过渡金属的氢氧化物，然后在还原性气氛下热处理，从而得到铂基-过渡金属/炭合金催化剂，将得到的合金催化剂在酸性溶液中进行酸洗，去除其表面的过渡金属，即得到产物；该发明采用的制备方法得到的合金催化剂对氧还原表现出了较高的单位质量Pt催化活性，而且其稳定性相对于基底铂基催化剂有了很大的提高，利于大规模生产。另外，朱红等人发明了一种聚苯胺包覆碳载体的铂基脱合金燃料电池催化剂及其制备方法（中国发明专利申请号201710284291.5），铂钴合金为核，铂为壳；聚苯胺包覆碳黑的载体60~80重量份；具有核壳型结构的铂钴金属20~40重量份；铂钴合金的核中，铂和钴的原子比为1:0.5~1:3；该发明聚苯胺包覆碳载体的铂基脱合金燃料电池催化剂，在载体上包覆聚苯胺，有效降低脱合金过程中酸对碳载体的损伤，在后续催化剂使用的过程中，聚苯胺比碳载体优先氧化，能够延长脱合金催化剂的使用寿命；可以大大提高催化剂的催化效率和贵金属的利用率，将促进燃料电池的发展。

可见，现有技术中的质子交换膜燃料电池的催化剂需要负载在碳载体上，无法直接负载与气体扩散层上，且存在纳米颗粒在复合过程中团聚严重，影响催化活性等缺点。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种具有阵列结构的燃料电池铂钴合金催化剂及制备方法，显著改善了催化剂的分散性，避免了团聚现象，确保催化剂的稳定性，提高了燃料电池的电化学性能。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：