[发明专利]燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池

说明书

本发明涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。燃料电池阴极催化剂的制备方法包括如下步骤：将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；对沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。经试验发现，本发明的上述燃料电池阴极催化剂的制备方法得到的燃料电池阴极催化剂中，铂合金纳米颗粒在碳载体上分散均匀，且燃料电池阴极催化剂的催化活性较好，有利于应用。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC，proton exchange membrane fuel cell)是一种燃料电池，通过氢气冷燃烧将化学能转化为电能，水是唯一排放物。PEMFC是氢能经济的核心，其阴极氧还原反应的过电势较高，需要贵金属铂催化剂，从而实现氢能的高效利用。降低阴极催化剂的铂用量是实现PEMFC大规模商业应用的关键，铂与3d过渡金属的合金化已被证明是减少铂用量的有效手段。传统的燃料电池阴极催化剂的制备方法中，将铂合金纳米颗粒沉积于碳载体上。然而，传统的制备方法中，铂合金在碳载体上的分布不均匀，导致催化剂的性能不佳，限制了这种催化剂的应用。

发明内容

基于此，有必要针对如何提高催化剂的催化活性的问题，提供一种燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。

一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将碳载体与保护剂的水溶液混合均匀，之后沉积铂合金纳米颗粒，得到沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体；其中，所述铂合金纳米颗粒包括铂和至少一种3d过渡金属；以及

对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体依次进行第一次热处理、酸处理以及第二次热处理，得到燃料电池阴极催化剂；

其中，第一次热处理的温度为500℃～1000℃，时间为2h～10h；第二次热处理的温度为100℃～300℃，时间为2h～10h。

在其中一个实施例中，所述保护剂为乙酸钠或者十六烷基三甲基溴化铵。

在其中一个实施例中，沉积铂合金纳米颗粒的操作中，溶液中的金属离子与所述保护剂的摩尔比为0.05～1.5。

在其中一个实施例中，所述铂合金纳米颗粒包括铂合金核和包裹在所述铂合金核表面的铂壳；

所述铂壳的厚度为0.5nm～1.5nm；

所述铂合金核占所述铂合金纳米颗粒的质量分数为40％～75％；

优选地，铂合金纳米颗粒选自铂钴合金纳米颗粒、铂镍合金纳米颗粒和铂铁合金纳米颗粒中的至少一种；

优选地，所述铂合金纳米颗粒占所述燃料电池阴极催化剂的质量分数为30％～50％；

优选地，所述铂合金纳米颗粒中，铂与3d过渡金属的摩尔比为1:3～5:1。

在其中一个实施例中，对所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体进行第一次热处理的操作为：

将所述沉积有铂合金纳米颗粒的碳载体与含氮化合物混合均匀，之后在惰性气体氛围中500℃～1000℃时热处理2h～10h，得到沉积有铂合金纳米颗粒的掺氮碳载体。

在其中一个实施例中，所述掺氮碳载体中氮的质量分数为1％～30％；