[发明专利]一种车载燃料电池用负载型铂稀土金属阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种车载燃料电池用负载型铂稀土金属阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)取乙二醇、碳载体、氯铂酸的乙二醇溶液、稀土金属盐的乙二醇溶液混合均匀，调节pH至10‑13，得到混合溶液；(2)称取硼氢化钠溶于乙二醇中，超声分散至无气泡产生，再逐滴加入步骤(1)制备的混合溶液中，升温反应；(3)反应结束后，调整反应后的溶液的pH至1‑4，搅拌过夜，真空抽滤，干燥，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明制备的催化剂具有较高的氧还原反应催化活性及耐久性，大大降低了生产成本且适于小批量生产，一致性较高等。

技术领域

本发明属于燃料电池电催化与能源转化技术领域，涉及一种车载燃料电池用负载型铂稀土金属阴极催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池异于普通蓄电池，它是一种通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能的能量转换装置。此过程不涉及热机过程，所以不受卡诺循环的限制，能量转化效率为40％-60％，如果能实现热电联供，燃料的总利用率可以高达80％以上。而且由于燃料电池内部发生的是电化学反应，所以其工作过程相当安静，几乎没有任何噪音产生，同时，它又非常的环保，氢燃料电池的反应产物为水、电和热量，不会产生碳氧化物和氮氧化物等对环境有害的物质。正是由于这些优点，燃料电池被认为是21世纪最具发展潜力的清洁高效发电技术之一，尤其是作为替代化石燃料的新型车用能源领域更有优势。

目前，金属Pt仍然是应用最普遍的PEMFC催化剂，但是其高昂的价格和容易中毒的缺点依然严重阻碍了PEMFCs的商业化道路。根据美国能源部(DOE)2013年的一份调查显示，大规模生产的情况下，PEMFCs的成本46％源自于电池中使用的Pt催化剂。近年来，虽然新型催化剂中Pt的有效利用率明显提高，PEMFCs的成本也有着显著的下降，但是距离大规模商业化还有着不小的差距。因此，单纯靠减少Pt的用量来降低成本并不是一个长远之计，寻找新型的、合适的、高效氧还原催化剂才是根本办法。

自从上世纪80年代铂基合金催化剂被发现是非常好的燃料电池用ORR催化剂(Chem.Rev.2015,115(9),3433-3467；Journal of Physical Chemistry B,2004,Vol.108(46):17886～17892)之后，它就吸引了世界各地学者的广泛关注，而且被认为是继纯铂之后最有可能的第二代燃料电池催化剂(Electrochem.Soc.1999,146(10),3750-3756；J.Electroanal.Chem.1999,460(1),258-262；J.Phys.Chem.B 2002,106(46),11970-11979)。在UTC的静态磷酸燃料电池和丰田公司Mirai燃料电池汽车上已经得到了成功应用。虽然Pt与后过渡金属(Co,Ni,Fe等)形成合金后其ORR活性显著增强(ChemicalCommunications,2009,Vol.2:195～197)，但是，在燃料电池工作条件下，它们处于热力学的不稳定状态。这些过渡金属元素会通过一个去合金化过程溶解于电解液中，从而造成催化剂颗粒表面形成富Pt层(Chemistry of Materials,2008,Vol.20(7):2444-2454)。通常情况下，这个溶解过程会一直持续到颗粒表面形成由几层Pt原子组成的“Pt表皮”结构(Energy Environ.Sci.,2012,5,6744–6762；Chem.,Int.Ed.,2005,44,2132-2135)。尽管该结构会提供一个抵抗溶解的临时的动力学稳定状态，但是进一步的去合金化还是在潜移默化的进行着，而这也被认为是合金催化剂失效的主要原因(J.Am.Chem.Soc.,2006,128,8813-8819)。