CN107069054A - 高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法 - Google Patents

高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，包括1)将碳基材与高锰酸钾反应，得到碳基催化剂载体；2)取碳粉和氯铂酸加入乙二醇溶液，得到Pt/C催化剂；3)将Pt/C催化剂置于氮气或氩气气氛的管式炉中，得到氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂；4)制备带有胶粘层的四合一离型基膜；5)利用精密静电喷粉机形成碳基催化剂载体层；6)真空磁控溅射技术将Pt/C催化剂溅射到碳基催化剂载体层上，得到催化剂载体膜。本发明的催化剂制备方法，通过溅射方法沉积铂，提高了铂金属在载体上的附着力，电池循环寿命与市售催化剂相比大大提高，通过氮掺杂Pt/C催化剂得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性。

Description

高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备方法，具体涉及高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。随着能源短缺、环境污染等问题的加剧，以及储氢材料和电催化剂开发方面的重大突破，未来电动汽车极有可能大规模投入使用。燃料电池以其零污染、高转化率等优势逐步成为电动汽车的主要动力来源。
Pt以纳米级颗粒的形式高分散在碳载体上，由于Pt与碳载体之间的电子结构差异性较大，只依靠弱相互作用黏附在一起，Pt纳米粒子很容易在载体表面迁移、团聚长大，致使催化剂表面积减小，活性降低。此外，高比表面的碳在燃料电池工作环境下，尤其是空气正极，容易腐蚀，进而导致催化剂的流失。因此，提高燃料电池催化剂的稳定性和催化剂利用率具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是Pt以纳米级颗粒的形式高分散在碳载体上，由于Pt与碳载体之间的电子结构差异性较大，只依靠弱相互作用黏附在一起，Pt纳米粒子很容易在载体表面迁移、团聚长大，致使催化剂表面积减小，活性降低。此外，高比表面的碳在燃料电池工作环境下，尤其是空气正极，容易腐蚀，进而导致催化剂的流失，目的在于提供高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，通过溅射方法沉积铂，提高了铂金属在载体上的附着力，电池循环寿命与市售催化剂相比大大提高，通过氮掺杂Pt/C催化剂得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性，可应用于以质子交换膜为电解质的燃料电池，如氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等的气体电极。
本发明通过下述技术方案实现：
高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，包括如下步骤，1)将碳基材与高锰酸钾在水中进行氧化还原反应，得到碳基催化剂载体；2)取碳粉和氯铂酸加入到乙二醇溶液中，超声波条件下振荡均匀，然后在氮气或氩气气氛保护下，于160℃下搅拌回流3小时后冷却至室温，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到Pt/C催化剂；3)将Pt/C催化剂置于管式炉中，在氮气或氩气保护下于600～1000℃，保持0.5～2小时，待产物冷却后，将产物在0.01～2mol/L的硫酸水溶液中60℃～90℃条件下搅拌2～8小时，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂；4)制备带有胶粘层的四合一离型基膜，在离型基膜的两个侧面分别涂覆一层硅油离型层，然后在其中一个硅油离型层表面再涂覆一层胶粘层；5)利用精密静电喷粉机将步骤1)中制备的碳基催化剂载体喷在步骤4)中制备的离型膜带有胶粘层的一侧，形成碳基催化剂载体层；6)通过真空磁控溅射技术将氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂溅射到碳基催化剂载体层上，得到催化剂载体膜；7)利用剥离机将步骤6)中得到催化剂载体膜从离型基膜上剥离，超声清洗后于120℃下进行真空干燥。
本发明的催化剂制备方法，通过溅射方法沉积铂，提高了铂金属在载体上的附着力，电池循环寿命与市售催化剂相比大大提高，通过氮掺杂Pt/C催化剂得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性，可应用于以质子交换膜为电解质的燃料电池，如氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等的气体电极。其中，氮掺杂Pt/C催化剂，利用较低的碳化温度就可以制备出Pt/C催化剂，节省了能源。
步骤3)中氮气或氩气的流速为50～500毫升/分钟。
步骤2)中碳粉和氯铂酸的质量比为1:1。
所述碳基材为活性炭、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。
所述的离型基膜的制作材料选自PET、PVC、PC、PEN、PA和PI中的任意一种。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，通过溅射方法沉积铂，提高了铂金属在载体上的附着力，电池循环寿命与市售催化剂相比大大提高；
2、本发明高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，通过氮掺杂Pt/C催化剂得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性，可应用于以质子交换膜为电解质的燃料电池，如氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等的气体电极；
3、本发明高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，掺杂Pt/C催化剂，利用较低的碳化温度就可以制备出Pt/C催化剂，节省了能源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本发明高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，包括如下步骤，1)将碳基材与高锰酸钾在水中进行氧化还原反应，得到碳基催化剂载体；2)取碳粉和氯铂酸加入到乙二醇溶液中，超声波条件下振荡均匀，然后在氮气或氩气气氛保护下，于160℃下搅拌回流3小时后冷却至室温，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到Pt/C催化剂；3)将Pt/C催化剂置于管式炉中，在氮气或氩气保护下于600～1000℃，保持0.5～2小时，待产物冷却后，将产物在0.01～2mol/L的硫酸水溶液中60℃～90℃条件下搅拌2～8小时，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂；4)制备带有胶粘层的四合一离型基膜，在离型基膜的两个侧面分别涂覆一层硅油离型层，然后在其中一个硅油离型层表面再涂覆一层胶粘层；5)利用精密静电喷粉机将步骤1)中制备的碳基催化剂载体喷在步骤4)中制备的离型膜带有胶粘层的一侧，形成碳基催化剂载体层；6)通过真空磁控溅射技术将氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂溅射到碳基催化剂载体层上，得到催化剂载体膜；7)利用剥离机将步骤6)中得到催化剂载体膜从离型基膜上剥离，超声清洗后于120℃下进行真空干燥。
本发明的催化剂制备方法，通过溅射方法沉积铂，提高了铂金属在载体上的附着力，电池循环寿命与市售催化剂相比大大提高，通过氮掺杂Pt/C催化剂得到的复合材料具有良好的导电性、稳定性和较高的催化活性，可应用于以质子交换膜为电解质的燃料电池，如氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等的气体电极。其中，氮掺杂Pt/C催化剂，利用较低的碳化温度就可以制备出Pt/C催化剂，节省了能源。
优选的，步骤3)中氮气或氩气的流速为50～500毫升/分钟。
优选的，步骤2)中碳粉和氯铂酸的质量比为1:1。
优选的，所述碳基材为活性炭、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。
优选的，所述的离型基膜的制作材料选自PET、PVC、PC、PEN、PA和PI中的任意一种。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤，1)将碳基材与高锰酸钾在水中进行氧化还原反应，得到碳基催化剂载体；2)取碳粉和氯铂酸加入到乙二醇溶液中，超声波条件下振荡均匀，然后在氮气或氩气气氛保护下，于160℃下搅拌回流3小时后冷却至室温，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到Pt/C催化剂；3)将Pt/C催化剂置于管式炉中，在氮气或氩气保护下于600～1000℃，保持0.5～2小时，待产物冷却后，将产物在0.01～2mol/L的硫酸水溶液中60℃～90℃条件下搅拌2～8小时，将产物离心洗涤、烘干、研磨后得到氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂；4)制备带有胶粘层的四合一离型基膜，在离型基膜的两个侧面分别涂覆一层硅油离型层，然后在其中一个硅油离型层表面再涂覆一层胶粘层；5)利用精密静电喷粉机将步骤1)中制备的碳基催化剂载体喷在步骤4)中制备的离型膜带有胶粘层的一侧，形成碳基催化剂载体层；6)通过真空磁控溅射技术将氮掺杂碳层修饰的Pt/C催化剂溅射到碳基催化剂载体层上，得到催化剂载体膜；7)利用剥离机将步骤6)中得到催化剂载体膜从离型基膜上剥离，超声清洗后于120℃下进行真空干燥。
2.根据权利要求1所述的高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，其特征在于，步骤3)中氮气或氩气的流速为50～500毫升/分钟。
3.根据权利要求1所述的高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，其特征在于，步骤2)中碳粉和氯铂酸的质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，其特征在于，所述碳基材为活性炭、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高效稳定的燃料电池催化剂材料制备方法，其特征在于，所述的离型基膜的制作材料选自PET、PVC、PC、PEN、PA和PI中的任意一种。
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