[发明专利]一种燃料电池非铂催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池非铂催化剂的制备方法，包括将三聚氰胺与甲醛水溶液分散于水中，形成三羧甲基三聚氰胺树脂溶液；加入2g多孔活性碳，再加入曲拉通X‑100，分散形成碳浆料；将三羧甲基三聚氰胺树脂溶液倒入碳浆料，搅拌；加入硫酸亚铁水溶液，搅拌；水浴后得到预聚产物，在真空旋转蒸发仪中干燥；将预聚产物在真空干燥箱中干燥得到复合树脂，球磨粉碎；在保护气氛围下升温并保温，再以10℃/min的速度降至200℃，随炉冷却至室温；本发明可大大增加了催化剂的活性反应面积成本低廉，同时工艺简单，适合规模化生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂技术领域，尤其是燃料电池非铂催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。燃料电池电催化剂扮演着电化学反应“工厂”的作用，是燃料电池的核心关键材料。另一方面，当前燃料电池商业化应用的前提，需要解决性能、成本、稳定性、耐久性、环境适应性等诸多问题，其中最为关键的是成本问题。其中电池催化剂的成本占比较大，约为1/4~1/3，而且不会随着产能的扩大而进一步降低。主要是因为现有技术中电催化剂使用了较多的铂，而铂的储量有限，价格昂贵，因而制约了燃料电池的商业化应用。

传统的燃料电池电催化剂是碳载铂，主要方法是在碳黑的表面担载2~3nm的铂，其制备方法有多种，但主要是将氯铂酸还原并沉降到碳黑的表面。这类方法所制备的电催化剂，铂颗粒当小于2nm时稳定性较差，当大于3nm时则质量比活性较低，因此无法进一步降低铂的载量。现有技术通常采用合金化进行改进，比如添加钯、钴、镍中的一种或多种元素与铂形成2~3nm的合金颗粒，进而减少铂的用量、提高铂的活性反应面积。但该类方法的难点是合金元素容易流失，即稳定性较差，而且铂用量的减少并不是特别明显。

发明内容

有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供了一种燃料电池非铂催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）将三聚氰胺与甲醛水溶液分散于100ml水中，三聚氰胺与甲醛的摩尔比范围为（0.5-2）:（1-3）；

（2）用微波加热至沸腾，形成三羧甲基三聚氰胺树脂溶液；

（3）在100ml水溶液中加入2g 多孔活性炭，再加入2-5ml曲拉通X-100，分散形成碳浆料；

（4）将上述三羧甲基三聚氰胺树脂溶液倒入上述碳浆料，搅拌5-10分钟；

（5）加入10ml的0.01-0.1M的硫酸亚铁水溶液，搅拌5-10分钟；

（6）90℃水浴后得到预聚产物，在真空旋转蒸发仪中干燥；

（7）将预聚产物在150℃真空干燥箱中干燥4-12h，得到复合树脂，球磨粉碎1-2h；

（8）在氮气氛围下以40℃/min的速度升温，在750-1150℃下保温0.5-4h，以10℃/min的速度降至200℃，随炉冷却至室温。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，传统的燃料电池电催化剂是碳载铂，主要方法是在碳黑的表面担载2~3nm的铂，这类方法中的铂颗粒当小于2nm时稳定性较差，当大于3nm时则质量比活性较低，因此无法进一步降低铂的载量，现有技术通常采用合金化进行改进，但该类方法的难点是合金元素容易流失，即稳定性较差，而且铂用量的减少并不是特别明显；而本发明公开的燃料电池非铂催化剂的制备方法，在制备过程中使用了曲拉通X-100对碳载体表面进行锚定，大大增加了催化剂的活性反应面积，另外，首次采用微波加热技术，形成大量三羧甲基三聚氰胺树脂，该过程无须调节pH值，避免了引入氢氧化钠、氢氧化钾等杂质元素；该方法所制备的非铂催化剂可用于替代现有燃料电池阴极的铂碳催化剂。在碱性条件下该催化剂的氧还原性能大于铂碳催化剂，在酸性条件下的氧还原性能也接近铂碳催化剂，由于原材料来源广泛，成本仅相当于铂碳催化剂1/100，通过一步热解处理即可完成制备，工艺简单，适合规模化生产。