[发明专利]一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法

说明书

本发明公开一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法，包括：首先在惰性气氛中利用强碱在高温条件下对碳载体表面进行活化，得到表面具有凹陷孔结构的活化碳载体；将铂基纳米颗粒担载于活化碳载体表面的孔中，得到高稳定性燃料电池碳载铂基催化剂。高温处理能够提高碳载体导电性以及耐腐蚀性；活化碳载体表面独特的凹陷结构能够对纳米颗粒产生限域作用，提升催化剂的稳定性且不降低活性。该方法解决了目前燃料电池碳载铂基催化剂在工作环境中铂基金属纳米颗粒发生迁移团聚，导致活性降低的问题，且操作简单，适用于大规模制备高稳定性的燃料电池碳载铂基催化剂。

技术领域

本发明属于新能源燃料电池技术领域，具体涉及一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法。

背景技术

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源，在人类社会面临严峻的能源危机和环境污染问题时成为了化石能源最具前景的替代品。燃料电池则是以氢气为燃料，可以直接将化学能转化为电能，具有环境友好、能量密度高、能量转化效率高等一系列优点，是目前最具发展潜力的能量转换器件之一。但耐久性问题以及缓慢的阴极氧还原反应动力学极大的限制了燃料电池的进一步发展。

燃料电池耐久性不足主要源自膜电极催化层中催化剂的性能衰减。目前性能最好，且使用最广泛的燃料电池催化剂是碳载铂催化剂。但是在燃料电池工作电位下，碳载铂催化剂的碳载体易被腐蚀，且担载于碳载体表面的铂纳米颗粒容易脱落并发生迁移团聚，使得铂纳米颗粒持续长大，导致催化剂性能的快速衰减。所以，增强碳载体的耐腐蚀性并抑制纳米颗粒在工作环境下的迁移团聚对燃料电池的进一步发展具有重大意义。

中国专利202011605526.4公开了一种具有高耐久性能燃料电池催化剂的制备方法，该方法主要通过将氧化物与碳基化合物的混合物形成超薄包覆层，对碳载铂基催化剂的表面进行修饰。该方法可以有效的抑制碳基载体表面铂基纳米颗粒的迁移与长大，显著提高催化剂的稳定性。但是不可避免会遮盖部分活性位点，造成一定的催化活性损失，使贵金属铂的利用率下降。

中国专利201911405226.9公开了一种燃料电池催化剂、其制备方法和在燃料电池中的应用。该方法主要通过将高聚物填充碳载体内部孔道后煅烧固化，进行碳载体改性，已达到提高催化剂耐久性的目的。但技术方案中使用的高聚物以及表面活性剂难以除去，不可避免会造成催化剂电化学性能的降低。

中国专利202110014101.4公开了一种燃料电池催化剂及其制备方法和应用，该方法主要通过氮掺杂碳纳米管精密贴合封装Pt-M合金纳米粒子的特殊结构，对纳米粒子进行保护，防止了在燃料电池工作条件下纳米粒子的迁移团聚与外部对纳米粒子的侵蚀。但纳米粒子被碳基载体封装保护会造成部分活性中心被载体遮盖以及气体扩散受阻。此外,该方法制备的纳米粒子粒径较大，也会导致贵金属铂的利用率降低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

首先在惰性气氛中利用强碱在高温条件下对碳载体表面进行活化，得到表面具有凹陷孔结构的活化碳载体；制备铂基纳米颗粒负载于活化碳载体表面，得到高稳定性的燃料电池碳载铂基电催化剂。高温处理能够提高碳载体的石墨化程度，从而改善碳载体的导电性以及耐腐蚀性；活化碳载体表面的凹陷孔结构能够对纳米颗粒产生限域作用，使铂基纳米颗粒能够稳定限制在碳载体表面，达到提升催化剂耐久性的目的。

一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法，具体的实施方案包括以下步骤：

1）配制强碱溶液，加入碳载体充分搅拌分散，得到悬浊液，过滤并收集碳载体，进行真空干燥处理；

2）将经上述处理得到的碳载体在氮气气氛下高温处理，冷却至室温后水洗干燥，得到表面具有孔径为1-3 nm孔结构的活化碳载体；

3）将铂基纳米颗粒担载在活化碳载体表面，得到高稳定性燃料电池碳载铂基催化剂。