CN101916866A - 复合碳材料为载体的燃料电池催化剂及制备方法 - Google Patents

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江红
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黄兆丰
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Abstract

一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂及制备方法，涉及一种燃料电池催化剂及制备方法。该催化剂表示为Pt/(C1+C2)，碳载体为粒状碳材料(C1)和线状碳材料(C2)的混合物体。采用粒状碳材料(C1)与线状碳材料(C2)的混合材料作为碳基体材料，在这两种基体材料上采用原位化学还原法制备Pt/(C1+C2)催化剂。粒状碳材料包括碳黑、碳微球或介孔碳。线状碳材料包括碳纤维或碳纳米管。线状碳材料与粒状碳材料的结合形成了三维复合网络结构，加大了催化剂的三相反应活性区，提高了铂的利用率。

Description

复合碳材料为载体的燃料电池催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池催化剂及制备方法。
背景技术
燃料电池具有操作温度低、能量效率高、无电解质腐蚀等特点，是电化学和能源科学领域的一个研究热点。催化剂的研制是质子交换膜燃料电池研究中最具有挑战性的任务之一。大量研究证明，Pt基催化剂作为燃料电池的阴、阳极催化剂表现出了良好的电催化性能。然而，金属铂的价格及来源的短缺限制了Pt基催化剂的应用。因此，减少使用贵金属催化剂的量是有效降低燃料电池生产成本的关键因素之一，其解决方法是通过使用适当的载体材料而具备有高分散和高效率的催化剂。
目前人们普遍采用碳黑作为催化剂载体，这是因为碳黑具有较高的比表面积且具有良好的导电性和较佳的孔结构，有利于提高金属铂微粒分散性，但铂的利用率仍然不会很高，一个重要的原因是大量铂或铂合金微粒进入到碳表面的微孔中，由于被埋藏的这部分铂或铂合金不能与质子导体相接触，因此难以形成更多的三相反应界面，从而降低铂的利用率。此外，由于铂或铂合金与碳直接相连，在制备膜电极过程中，质子交换树脂不能进入到铂或铂合金与碳之间的位置，这一方面减少了三相反应区，另一方面在电池工作过程中，由于CO的毒化，铂或铂合金活性减弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提高铂的利用率。
本发明的技术方案：
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂，该催化剂表示为Pt/(C1+C2)，碳载体为粒状碳材料和线状碳材料的复合物。
粒状碳材料包括：碳黑、碳微球或介孔碳，线状碳材料包括：碳纤维或碳纳米管。
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，该制备步骤为：
步骤一，对粒状碳材料和线状碳材料的前处理；
步骤二，按粒状碳材料∶线状碳材料为1～10∶1的质量比混合，加入到容器中，加入异丙醇和水，其体积比为1∶3，超声波分散均匀；
步骤三，将步骤二所得的复合碳材料载体，通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明采用线状碳材料与粒状碳材料的复合材料作为催化剂载体，然后再采用原位化学还原法制备Pt/(C1+C2)催化剂。这样具有较大的长径比的碳材料与粒状碳黑和活性粒子间形成了三维复合网络结构，增加了活性物质与集流体和质子膜间的相互接触，减缓了金属铂微粒团聚，增强了催化剂的催化活性，提高了铂的利用率。
具体实施方式
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂，该催化剂表示为Pt/(C1+C2)，碳载体为粒状碳材料C1和线状碳材料C2的复合物。
所述的粒状碳材料C1包括：碳黑、碳微球或介孔碳，线状碳材料C2包括：碳纤维或碳纳米管。
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法的实施方式：
实施例一
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，该制备方法包括步骤为：
步骤一，对粒状碳材料C1为碳黑(ValcanXC-72)的前处理：
将粒状碳材料ValcanXC-72在丙酮中回流0.5h，然后过滤、洗涤、干燥后，用2mol/L硝酸浸泡24h，然后用去离子水洗涤至中性，再用5％的过氧化氢回流2h，过滤、洗涤、干燥、研磨备用。
对线状碳材料C2为碳纳米管(CNTS)的前处理：
将CNTS在室温下浸泡于浓硝酸中，搅拌12h，再在80℃下回流2h，然后将混合液自然冷却，抽虑，真空于燥12h，研磨备用。
步骤二，按1∶1的质量比取步骤一处理的ValcanXC-7230mg和CNTS 30mg混合，加入到150ml的三口烧瓶中，加入异丙醇∶水＝1∶3的40ml异丙醇水溶液，超声波分散均匀。
步骤三，将步骤二所得复合载体通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂Pt/(ValcanXC-72+CNTS)。
实施例二
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，该制备方法包括步骤为：
步骤一，对粒状碳材料C1为碳微球的前处理：
将碳微球在丙酮中回流0.5h，然后过滤、洗涤、干燥后，用2mol/L硝酸浸泡24h，然后用去离子水洗涤至中性，再用5％的过氧化氢回流2h，过滤、洗涤、干燥、研磨备用。
对线状碳材料C2为碳纤维的前处理：
将碳纤维在室温下浸泡于浓硝酸中，搅拌12h，再在80℃下回流2h，然后将混合液自然冷却，抽虑，真空干燥12h，研磨备用。
步骤二，按10∶1的质量比取步骤一处理的碳微球100mg和碳纤维1mg混合，加入到150ml的三口烧瓶中，加入异丙醇∶水＝1∶3的40ml异丙醇水溶液，超声波分散均匀。
步骤三，将步骤二所得复合载体通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂Pt/(碳微球+碳纤维)。
实施例三
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，该制备方法包括步骤为：
步骤一，对粒状碳材料C1为介孔碳的前处理：
将介孔碳在丙酮中回流0.5h，然后过滤、洗涤、干燥后，用2mol/L硝酸浸泡24h，然后用去离子水洗涤至中性，再用5％的过氧化氢回流2h，过滤、洗涤、干燥、研磨备用。
对线状碳材料C2为碳纳米管(CNTS)的前处理：
将CNTS在室温下浸泡于浓硝酸中，搅拌12h，再在80℃下回流2h，然后将混合液自然冷却，抽虑，真空干燥12h，研磨备用。
步骤二，按5∶1的质量比取步骤一处理的介孔碳50mg和CNTS 10mg混合，加入到150ml的三口烧瓶中，加入异丙醇∶水＝1∶3的40ml异丙醇水溶液，超声波分散均匀。
步骤三，将步骤二所得复合载体通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂Pt/(介孔碳+CNTS)。
实施例四
一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，该制备方法包括步骤为：
步骤一，对粒状碳材料C1为碳微球的前处理：
将碳微球在丙酮中回流0.5h，然后过滤、洗涤、干燥后，用2mol/L硝酸浸泡24h，然后用去离子水洗涤至中性，再用5％的过氧化氢回流2h，过滤、洗涤、干燥、研磨备用。
对线状碳材料C2为碳纤维的前处理：
将碳纤维在室温下浸泡于浓硝酸中，搅拌12h，再在80℃下回流2h，然后将混合液自然冷却，抽虑，真空干燥12h，研磨备用。
步骤二，按3∶1的质量比取步骤一处理的碳微球30mg和碳纤维10mg混合，加入到150ml的三口烧瓶中，加入异丙醇∶水＝1∶3的40ml异丙醇水溶液，超声波分散均匀。
步骤三，将步骤二所得复合载体通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂Pt/(碳微球+碳纤维)。
碳微球、介孔碳来自北京化工大学，碳纤维和碳纳米管来自清华大学。
所有实施方式中的步骤六所述的原位化学还原法均采用的专利(02155256.8和02155255.X)记载的方法实现。

Claims (3)

1.一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂，表示为Pt/C，其特征在于：该催化剂表示为Pt/(C1+C2)，碳载体为粒状碳材料(C1)和线状碳材料(C2)的混合物体。
2.根据权利要求1所述的复合碳材料为载体的燃料电池催化剂，其特征在于：粒状碳材料(C1)包括：碳黑、碳微球或介孔碳，线状碳材料(C2)包括：碳纤维或碳纳米管。
3.一种复合碳材料为载体的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，该制备步骤为：
步骤一，对粒状碳材料(C1)和线状碳材料(C2)的前处理；
步骤二，按粒状碳材料(C1)∶线状碳材料(C2)为1～10∶1的质量比混合，加入到容器中，加入异丙醇和水，其体积比为1∶3，超声波分散均匀；
步骤三，将步骤二所得的复合碳材料载体(C1+C2)，通过原位化学还原法得到复合碳材料为载体的燃料电池催化剂Pt/(C1+C2)。
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