[发明专利]一种高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂及其制备方法，所述抗反极阳极催化剂的活性组分为Pt_xIr_(1‑x)P₂或Pt_xRu_(1‑x)P₂，所述载体为氮磷双掺杂的泡沫状碳膜，该阳极抗反极催化剂的贵金属含量低，可大幅降低成本，且不需要额外加入抗反极物质，制备方法简单。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池在启停、快速变载、杂质堵塞气体传质通道或者发生水淹时，阳极侧的氢气供给不足，会导致正常的氢气氧化反应无法进行。为了维持电荷平衡，阳极催化层的其他物质会发生氧化反应。首先是催化层的水发生电解，一段时间后，催化剂中的碳载体会发生腐蚀，阳极电势会逐渐高于阴极电势，发生反极，造成催化剂催化性能下降，甚至产生的局部高温点可能烧穿质子交换膜，形成短路。针对反极问题，主流的做法是在富含贵金属的阳极催化层中加入能够催化氧气析出的抗反极物质(主要是贵金属Ru，Ir及其氧化物)，抑制水的电解，保护燃料电池的性能和膜电极寿命。比如公开号CN111029599B公开了一种燃料电池抗反极催化剂及其制备方法，所述催化剂是铱氧化物复合铌掺杂的二氧化钛纳米催化剂，能够有效缓解燃料电池阳极侧反极时发生的碳载体腐蚀和铂颗粒团聚长大，但是该发明所提供的催化剂是抗反极添加剂，没有阳极氢气催化作用，需要通过高温等手段复合到阳极催化剂中，这样形成的抗反极阳极催化剂分布不均匀，且在催化过程中容易发生铱氧化物团聚现象。此外，氧化物的导电性比较差，影响燃料电池在高电流密度下的性能。比如专利公开号CN113178582A提供了一种质子交换膜燃料电池抗反极阳极PtIr/CNT催化剂，所述催化剂中PtIr合金为活性组分，碳纳米管为载体，Pt与Ir的摩尔比为6～1：1，该阳极催化剂无需额外添加抗反极添加剂，避免直接加入氧化铱或铱会导致的团聚。但所述催化剂中活性组分和载体的质量比重为0.2～0.7：1，贵金属的含量高，成本高昂。此外，PtIr合金与碳纳米管之间的作用力不强，在催化过程中，合金容易脱落或团聚，导致催化性能降低。

因此，现有技术在解决阳极催化剂成本和抗反极问题，存在着短板，表现在抗反极催化剂易于团聚，降低抗反极能力，影响燃料电池供电能力和寿命，无法在实现成本低廉的基础上兼顾氢气氧化催化性能与抗反极性能，所以需要进一步改进抗反极阳极催化剂制备技术，使贵金属含量降低的同时保持高催化活性和抗反极能力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂及其制备方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

一种高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂，所述抗反极阳极催化剂的活性组分为Pt_xIr_(1-x)P₂或Pt_xRu_(1-x)P₂，x为贵金属摩尔分数(取0.6～0.8)，所述载体为氮磷双掺杂的泡沫状碳膜，即NPC。

所述抗反极阳极催化剂中贵金属质量含量≤11％，不取零。

所述高性能低成本燃料电池抗反极阳极催化剂采用牺牲模板法高温煅烧而成，包括如下步骤：

1)取2mL含磷化合物、0.03～0.06g含铂化合物、0.01～0.02g反极原料、60mg三聚氰胺和250mg二氧化硅纳米球混合于100mL去离子水中，搅拌1h，制得均匀混合溶液；

2)混合溶液在80℃～100℃的环境中干燥成固体后，在氩气氛围下煅烧；

3)煅烧后使用HF溶液刻蚀二氧化硅纳米球，离心洗涤即可得到阳极抗反极催化剂。

所述含磷化合物为羟基乙叉二磷酸、植酸中的一种。