CN104916851B - 一种催化层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种催化层的制备方法，具体涉及一种燃料电池或电解水催化层的制备方法。它包括步骤：分散液配制：按重量份将100份催化剂前驱体、10~200份粘结剂、1000‑10000份溶剂搅拌分散获得分散液；催化层制备：将分散液通过喷涂、刷涂或丝网印刷制备于集流体或隔膜上，经过100‑400℃氢气氛还原、洗涤形成燃料电池或电解水催化层。或者包括步骤：分散液配制：将100份催化剂前驱体、10~200份粘结剂、1000‑10000份还原剂的溶液搅拌分散获得分散液；催化层制备：将分散液在100‑150℃下通过喷涂、刷涂或丝网印刷制备于集流体或隔膜上，经过洗涤形成燃料电池或电解水催化层。本发明简化了生产工艺；催化层可连续制备，可通过生产工艺的优化进一步提高催化层结合度和耐久性。

Description

一种催化层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种催化层的制备方法，具体涉及一种燃料电池或电解水催化层的制备方法。
背景技术
氢作为高能载体，热值约为汽油三倍，通过燃料电池转化为电能的效率可达60%，氢能做为新兴的二次能源近年来得到了广发的关注和开发。燃料电池和电解水技术做为氢能领域重要的基础技术，直接影响了氢的利用和生产，而燃料电池和电解水技术的核心在于催化层的性能。
目前常用的燃料电池或电解水电极结构基本相同，都由扩散层/集流体、催化层和隔膜构成。催化层通常采用贵金属催化剂作为主要活性组分，将制备好的催化剂配成浆料后采用喷涂或刷涂的方法制备于扩散层/集流体或隔膜上形成催化层。但催化剂的制备过程较为繁琐，通常需要称量、配料、反应、沉淀、洗涤、烘干等步骤，反应过程中温度、时间和pH等参数对最终催化剂性能影响很大，而且由于反应物浓度通常较低限制，每次制备得到的催化剂量往往很少，单位生产成本较高。
为解决该问题，专利98811189.5提出了真空沉积的方法制备燃料电池催化层，但设备较为昂贵，工艺条件控制较为复杂。专利03117778.6提出了电化学沉积的方法制备燃料电池催化层，但电镀方法制得的活性组分粒径较大，电极性能不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速、可批量化的燃料电池或电解水催化层的制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种催化层的制备方法，包括以下步骤
（1） 分散液配制：按重量份将100份催化剂前驱体、10~200份粘结剂、1000-10000份溶剂搅拌分散获得分散液；
（2） 催化层制备：将所述分散液通过喷涂、刷涂或丝网印刷制备于集流体或隔膜上，经过100-400℃氢气氛还原、洗涤形成燃料电池或电解水催化层。
用氢气作为还原剂将催化剂前驱体直接还原为贵金属。本发明无需传统的催化剂制备工程，简化了生产工艺；催化层可连续制备，提高了生产效率降低了生产成本；产品均一性大大提高；可通过生产工艺的优化进一步降低贵金属载量并使催化剂粒径控制更均匀；催化层结合度好，耐久性大大提高。
作为优选，所述分散液中按重量份还添加有50-10000份还原剂。
一种催化层的制备方法，包括以下步骤
（1） 分散液配制：按重量份将100份催化剂前驱体、10~200份粘结剂、1000-10000份第一还原剂的溶液搅拌分散获得分散液；
（2） 催化层制备：将所述分散液在100-150℃下通过喷涂、刷涂或丝网印刷制备于集流体或隔膜上，经过洗涤形成燃料电池或电解水催化层。
本发明通过还原剂可以将催化剂前驱体直接还原为贵金属；本发明无需传统的催化剂制备工程，简化了生产工艺；催化层可连续制备，提高了生产效率降低了生产成本；产品均一性大大提高；可通过生产工艺的优化进一步降低贵金属载量；催化层结合度好，耐久性大大提高。
作为优选，所述还原剂为乙二醇。
作为优选，所述催化剂制备包括将所述分散液在100-150℃下喷涂集流体或隔膜上，经过100-400℃氢气氛还原、洗涤形成燃料电池或电解水催化层。在催化层制备过程中加热扩散层/集流体或隔膜使催化剂前驱体进一步还原为贵金属。
通过二次还原的生产工艺，可进一步降低贵金属载量并使催化剂粒径控制更均匀；催化层结合度好，耐久性大大提高。
作为优选，所述分散液中按重量份还添加有10-100份导电剂；所述导电剂为碳粉、石墨粉、碳纳米管、石墨烯、金属粉末、导电氧化物或具有导电性能的聚合物。
作为优选，所述催化剂前驱体可采用铂、铱、钌、钯、银、镍、钴、铁、锰、钒、铬等金属的化合物中的一种或多种。
作为优选，所述粘结剂为离子交换树脂、聚四氟乙烯或PVDF。
更优选地，所述粘结剂为5wt% Nafion溶液。
作为优选，所述溶剂为水、醇类、酯类、羧酸类、酮类或其混合物。
更优选地，所述溶剂中按重量份加入有10-30份酸性或碱性物质。用以调节pH值，这样可以控制催化剂层的制备（喷涂、刷涂或丝网印刷）效果并同时促进后续还原
作为优选，洗涤过程中采用5-10wt%硫酸、硝酸、甲酸、氢氧化钠、氢氧化钾的水溶液浸泡后再用去离子水洗涤以除去制备过程中引入的杂质。
一种燃料电池，包括集流体、催化层和隔膜，所述催化层采用以上方法制得。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
（1）无需传统的催化剂制备工程，简化了生产工艺；
（2）催化层可连续制备，提高了生产效率降低了生产成本；
（3）产品均一性大大提高；
（4）可通过生产工艺的优化进一步降低贵金属载量；
（5）催化层结合度好，耐久性大大提高。
具体实施方式
实施例一
将氯铂酸、碳粉、5%Nafion溶液、水、乙二醇、氢氧化钠按照100：37：370：3000：1000：20混合，分散后于130度加热条件下喷涂到Nafion212膜上，喷涂完后保温30min，然后重复上述步骤制备另一面。然后用5%稀硫酸于80度浸泡1小时，80度蒸馏水浸泡1小时，取出后即得质子交换膜燃料电池CCM。
组装电池后，用循环伏安法对催化层进行扫描，计算得出该方法制得的铂的电化学活性面积（ECA）可达62m2/g，优于常规还原方法制备得到50%催化剂的60m2/g。
实施例二
将氯铂酸、石墨粉、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照100：100：1000：1000：20混合，分散后刷涂到AvCarb GDS3250扩散层上，喷涂完后于130度氢气氛保温30min，然后用5%稀硫酸于80度浸泡1小时，80度蒸馏水浸泡1小时，取出后即得质子交换膜燃料电池GDE，把两片这样的GDE夹住一片Nafion212膜，然后在5MPa压力下于135度热压1min即得到燃料电池电极，阴阳极铂载量分别为0.4mg/cm2。
组装电池后，用循环伏安法对催化层进行扫描，计算得出该方法制得的铂的电化学活性面积（ECA）可达75m2/g，优于常规还原方法制备得到27%催化剂的70m2/g。
实施例三
将氯铂酸、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照100：148：2000：20混合，分散后喷涂到Nafion117膜上，将氯化铱、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照65：148：2000：20混合，分散后喷涂到膜另一面，然后于170度氢气氛保温30min，用5%稀硫酸于80度浸泡1小时，80度蒸馏水浸泡1小时，取出后即得SPE电解水CCM，阴阳极铂铱载量分别为1mg/cm2和2mg/cm2。用两片80目镀铂钛网夹住这样一片CCM进行电解水制氢测试，在电流密度1A/cm2时电压仅为1.78V，优于采用商业化铂黑和铱黑制得的电极（电流密度1A/cm2时电压为1.83V）。
实施例四
将硝酸银、60%PTFE溶液、水按照80：12：1000：20混合，分散后丝网印刷到泡沫镍上，于340度氢气氛保温30min，用蒸馏水洗涤干净后即得碱性燃料电池或锌空气燃料电池阴极，银载量为5mg/cm2。
该电极在30%氢氧化钾溶液中，纯氧氛围下测试氧还原效果，在400mA/cm2时过电位仅为0.26V，优于采用相同载量商业化银粉制得电极（400mA/cm2时过电位0.28V）。
实施例五
将氯铂酸、60%PTFE溶液、水、氢氧化钠按照100：12：1000：20混合，分散后丝网印刷到泡沫镍上，于340度氢气氛保温30min，用蒸馏水洗涤干净后即得碱性电解水阴极/碱性燃料电池阳极，铂载量为1mg/cm2。
该电极在30%氢氧化钾溶液中做阴极进行电解水测试，在400mA/cm2时过电位仅为0.04V，优于采用商业化铂黑制得电极（400mA/cm2时过电位0.05V）。
实施例六
分散液配制：按重量份将100份硝酸镍、50份PVDF、2000份乙酮、35份石墨烯、1000份乙二醇、20份氢氧化钾搅拌分散获得分散液；
催化层制备：将分散液120℃下刷涂至PTFE处理过的碳纸上，经过180℃氢气氛还原、8%氢氧化钾洗涤形成碱性燃料电池阳极催化层，镍载量为5mg/cm2。该电极在30%氢氧化钾溶液中做阳极进行氢还原测试，在400mA/cm2时过电位仅为0.12V，优于采用商业化Raney镍粉制得电极（400mA/cm2时过电位0.15V）。
实施例七
将氯铂酸、碳粉、5%Nafion溶液、水、乙二醇、氢氧化钠按照100：10：400：5000：1000：20混合，分散后于100度加热条件下喷涂到Nafion212膜上，喷涂完后保温30min，然后重复上述步骤制备另一面。然后用5%稀硫酸于80度浸泡1小时，80度蒸馏水浸泡1小时，取出后即得质子交换膜燃料电池CCM。
组装电池后，用循环伏安法对催化层进行扫描，计算得出该方法制得的铂的电化学活性面积（ECA）可达48m2/g，优于常规还原方法制备得到78%催化剂的40m2/g。
实施例八
将氯铂酸、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照100：200：10000：20混合，分散后喷涂到Nafion117膜上，将氯化铱、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照65：148：2000：20混合，分散后喷涂到膜另一面，然后于180度氢气氛保温30min，用5%稀硫酸于80度浸泡1小时，80度蒸馏水浸泡1小时，取出后即得SPE电解水CCM。，阴阳极铂铱载量分别为1mg/cm2和2mg/cm2。用两片80目镀铂钛网夹住这样一片CCM进行电解水制氢测试，在电流密度1A/cm2时电压仅为1.81V，优于采用商业化铂黑和铱黑制得的电极（电流密度1A/cm2时电压为1.83V）。
实施例九
将氯铂酸、石墨粉、5%Nafion溶液、水、氢氧化钠按照100：100：370：1000：20混合，分散后刷涂到AvCarb GDS3250扩散层上，喷涂完后于130度氢气氛保温30min，然后用8%甲酸于80度浸泡1小时，80度去离子水浸泡1小时，取出后即得质子交换膜燃料电池GDE。组装电池后，用循环伏安法对催化层进行扫描，计算得出该方法制得的铂的电化学活性面积（ECA）可达73m2/g，优于常规还原方法制备得到27%催化剂的70m2/g。
实施例十
将氯铂酸、60%PTFE溶液、水、氢氧化钠按照100：12：1000：20混合，分散后丝网印刷到泡沫镍上，于400度氢气氛保温30min，用去离子水洗涤干净后即得碱性电解水/碱性燃料电池阳极。该电极在30%氢氧化钾溶液中做阴极进行电解水测试，在400mA/cm2时过电位仅为0.04V，优于采用商业化铂黑制得电极（400mA/cm2时过电位0.05V）。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种催化层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
(1)分散液配制：按重量份将100份催化剂前驱体、10~200份粘结剂、1000-10000份第一还原剂搅拌分散获得分散液；
(2)催化层制备：将所述分散液通过喷涂、刷涂或丝网印刷制备于集流体或隔膜上，经过100-400℃氢气氛还原、洗涤形成燃料电池或电解水催化层；
所述催化剂制备包括将所述分散液100-150℃下喷涂集流体或隔膜上，经过100-400℃氢气氛还原、洗涤形成燃料电池或电解水催化层；
所述第一还原剂为乙二醇；
所述分散液中按重量份还添加有10-100份导电剂；所述导电剂为碳粉、石墨粉、碳纳米管、石墨烯、金属粉末、导电氧化物或具有导电性能的聚合物；
所述分散液中采用的溶剂为水、醇类、酯类、羧酸类、酮类或其混合物；所述分散液中按重量份加入有10-30份酸性或碱性物质；
所述催化剂前驱体为铱、钌、钯、银、镍、钴、铁、锰、钒、铬金属的化合物中的一种或多种；
所述粘结剂为离子交换树脂、聚四氟乙烯或PVDF；
洗涤过程中采用5-10wt%硫酸、硝酸、甲酸、氢氧化钠、氢氧化钾的水溶液浸泡后再用去离子水洗涤。
2.一种燃料电池，包括集流体、催化层和隔膜，其特征在于：所述催化层采用权利要求1方法制得。
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