[发明专利]一种电化学酸化协同电沉积制备氧还原催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种电化学酸化协同电沉积制备氧还原催化剂的方法，属于燃料电池技术领域。所述制备方法的步骤包括：先对碳纸进行电化学酸化处理，然后电沉积Pt，制得氧还原催化剂。本发明通过电化学技术实现了对纳米Pt颗粒晶型的纳米尺度级调控，增加了催化剂、反应物、电解质之间的三相反应区的活性位点，具体表现在制得的催化剂在长时间的耐久性测试过程中，表现出比商业催化剂更高的活性和寿命，这对燃料电池电极的发展具有重大意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种电化学酸化协同电沉积制备氧还原催化剂的方法。

背景技术

质子交换膜料电池是利用氢能的一种高效、清洁的发电装置，本身使用电化学反应的方式将氢燃料髙效率地转化为电能进行使用，不用经历卡诺循环，得到各国能源部门、科研机构等的持续关注，其当前已经被广泛应用在重型卡车、航天航空以及军事领域。

但是当前质子交换膜燃料电池使用成本高昂，尤其是其中阴极催化剂因为活性较低，使用寿命较短，而导致生产成本很难下降。同时，受传统商业铂碳催化剂(Pt/C)使用的喷涂工艺限制，催化剂在涂布工艺过程中损失量大，铂催化剂与基底层结合力不强。

此外，喷涂工艺在使用过程中，会添加一些粘结剂将催化剂负载到碳纸或者质子交换膜上，这样会导致催化剂活性面积减少，减少了氧气与电解质电催化剂的接触面积，从而影响了催化剂表面的氧还原反应，降低燃料电池的利用效率，影响电池性能。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种电化学酸化协同电沉积制备氧还原催化剂的方法，通过选用具有自支撑结构的碳纸作为催化剂载体，利用了一种电化学酸化技术首先对碳纸进行表面氧化处理，使得碳纸表面富含羟基、羰基、羧基等含氧基团，给下一步的沉积铂颗粒提供了更多活性位点和引入杂原子。下一步，得益于上一步经过电化学酸化处理后的碳纸的特殊性质，其在下一步电沉积Pt的过程中，其电沉积的极化曲线，呈现沉积前期的大电流，这实现了可以有更多Pt纳米粒子在碳纸表面形成非常小的纳米颗粒核，促进了Pt在载体上的分布均匀，纳米尺度均一。最后，本发明在含Pt的电沉积溶液中，添加了适量的酸，导电盐以及适当的分散剂协同电沉积技术作用去控制电沉积Pt颗粒的特殊形貌。

本发明通过电化学技术实现了对纳米Pt颗粒晶型的纳米尺度级调控，增加了催化剂、反应物、电解质之间的三相反应区的活性位点，具体表现在制得的催化剂在长时间的耐久性测试过程中，表现出比商业催化剂更高的活性和寿命，这对燃料电池电极的发展具有重大意义。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明技术方案之一：提供一种电化学酸化协同电沉积制备氧还原催化剂的方法，包括以下步骤：

先对碳纸进行电化学酸化处理，然后电沉积Pt，制得氧还原催化剂；

所述电化学酸化处理的电压为1.6～2.0V，时间为300～900s；

所述电沉积Pt的电压为-1.0～0V，时间为30～600s，所用的电沉积溶液中包含铂盐、导电盐、酸和分散剂。

优选地，所述碳纸为预处理的碳纸，所述预处理的具体过程包括：先用碱去除碳纸表面的油污和杂质，再用酸中和碳纸表面的碱，最后用水清洗，烘干，完成预处理。

优选地，所述电化学酸化处理的电解液为0.5～1mol/L的硫酸溶液。

优选地，所述电化学酸化处理和所述电沉积Pt均在25℃下进行。

优选地，所述电沉积溶液中铂盐浓度为2～10mmol/L，导电盐的浓度为0.1～1mol/L，酸的浓度为0.5～2mol/L，分散剂的浓度为10～60mmol/L。