CN109411772A - 一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，取催化剂整体或催化剂载体在适量去离子水中完全溶解形成原料溶液；称取一定量的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐加入去离子水中充分溶解形成有机溶液；将原料溶液和有机溶液混合，其中原料溶液中的催化剂整体或催化剂载体与有机溶液中的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐按质量比为0.5:1~50:1，混合后搅拌均匀。本发明处理方法简单，步骤易于操作，催化剂载体经过处理后，表现出更好的溶剂分散性和金属纳米颗粒的吸附性，能够更好地对金属纳米颗粒进行锚定，减少金属纳米颗粒的团聚。

Description

一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法
技术领域
本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，属于催化剂制备技术领域。
背景技术
随着燃料电池技术的发展，成本与寿命成为其商业化的关键因素。作为燃料电池的关键性材料之一，催化剂的作用举足轻重，其稳定性和价格直接决定了电池的耐久性和成本。
在制备催化剂过程中，无论是碳载铂还是碳载铂合金以及非铂催化剂，其载体表面会吸附一定数量未反应的金属离子，如Pt2+、Co2+、Pd2+、Ni2+等金属离子，而这些金属离子用去离子水等简单试剂是没法洗涤干净的，而这些离子的存在会增加燃料电池催化层离子聚合物的内阻，降低燃料电池性能，减少了燃料电池的耐久性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供了一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，将催化剂整体或催化剂载体采用乙二胺四乙酸溶液或乙二胺四乙酸的金属盐溶液处理，能够提高催化剂活性以及改善催化剂与磺酸树脂的界面相容性，减少催化剂用量，延长燃料电池寿命，降低燃料电池成本。
本发明采用如下技术方案：一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，包括如下步骤：
（1）取催化剂整体或催化剂载体在适量去离子水中完全溶解形成分散液；
（2）称取一定量的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐加入去离子水中充分溶解形成浓度为0.1-10g/mL的有机溶液；
（3）将分散液和有机溶液混合，其中原料溶液中的催化剂整体或催化剂载体与有机溶液中的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐按质量比为0.5:1~50:1，混合后搅拌均匀；
（4）将混合液在20-90℃条件静置12-24h后经多次洗涤后烘干，烘干条件为50-200℃。
进一步的，所述催化剂载体为导电性载体纳米碳黑、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米棒、金属或金属合金纳米颗粒、金属或金属合金纳米线、金属或金属合金纳米棒中的一种或多种。
进一步的，所述催化剂载体为导电性载体金属氧化物或非金属氧化物的纳米颗粒、金属氧化物或非金属氧化物的纳米线、金属氧化物或非金属氧化物纳米棒中的一种或多种。
进一步的，所述催化剂整体为Pt/C催化剂。
本发明处理方法简单，步骤易于操作，催化剂载体经过处理后，表现出更好的溶剂分散性和金属纳米颗粒的吸附性，能够更好地对金属纳米颗粒进行锚定，减少金属纳米颗粒的团聚，催化剂整体经过处理后能够改变催化剂颗粒表面的亲水性能，在制备催化剂墨水时比没有经过处理的催化剂颗粒更容易分散，催化剂颗粒与离子树脂有更好的界面相容性，使燃料电池具有更好的水管理特性。
附图说明
图1为本发明实施例1~2经EDTA酸处理及未处理载体的氧还原极化曲线。
图2为本发明实施例3~7和对比例1~3制备的催化剂涂膜CCM组装成膜电极MEA的性能测试结果。
图3为本发明催化剂载体处理过程示意图。
图4为本发明催化剂处理过程示意图。
具体实施方式
实施例一：
催化剂载体的处理方法：称取1克Volcan XC-72R炭黑置于烧杯中，加入400mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取0.02g EDTA酸置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成0.1g/L的EDTA 溶液；将分散液和EDTA酸溶液混合均匀，充分搅拌1小时，静置2小时，静置温度为20℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在50℃烘箱中烘干，烘干时间为3天，经处理的催化剂载体被干燥后，担载Pt/C催化剂。
实施例二：
催化剂载体的处理方法：称取1克Black pearl 2000炭黑置于烧杯中，加入500mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取2g EDTA酸置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成10g/L的EDTA酸溶液；将分散液和EDTA酸溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置2小时，静置温度为80℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在200℃烘箱中烘干，烘干时间为2天，经处理的催化剂载体被干燥后，担载成Pt/C催化剂。
对比例一：
称取1克未经EDTA处理过的Volcan XC-72R炭黑制备成Pt/C催化剂。
对比例二：
称取1克未经EDTA处理过的Black pearl 2000炭黑制备成Pt/C催化剂。
实施例三：
催化剂的处理方法：称取1克40%Pt/C催化剂（英国庄信公司）置于烧杯中，加入350mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取0.02g EDTA酸置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成0.1g/L的EDTA酸溶液；将分散液和EDTA酸溶液两种溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置3小时，静置温度为20℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在50℃烘箱中烘干，烘干时间为3天，被EDTA酸处理过的催化剂颗粒被干燥后，制备成催化剂墨水，用于制备催化剂涂膜。
实施例四：
催化剂的处理方法：称取1克Volcan XC-72R炭黑制取的40%Pt/C催化剂置于烧杯中，加入350mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取2g EDTA四钠盐置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成10g/L的EDTA四钠溶液；将分散液和EDTA四钠溶液两种溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置3小时，静置温度为90℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在80℃烘箱中烘干，烘干时长可为2.5天，被EDTA四钠盐处理过的催化剂颗粒被干燥后，将制备成催化剂墨水，用于制备CCM。
实施例五：
催化剂的处理方法：称取1克Black pearl 2000炭黑制取的40%Pt/C催化剂置于烧杯中，加入400mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取0.075g EDTA酸二钠盐置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成0.375 g/L的EDTA酸二钠溶液；将分散液和EDTA酸二钠溶液两种溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置3小时，静置温度为60℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在200℃烘箱中烘干，烘干时间为2.5天，被EDTA二钠处理过的催化剂颗粒被干燥后，将制备成催化剂墨水，用于制备CCM。
实施例六：
催化剂的处理方法：称取1克Black pearl 2000炭黑制取的40%Pt/C催化剂置于烧杯中，加入350mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取0.1g EDTA酸置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成0.5g/L的EDTA酸溶液；将分散液和EDTA酸溶液两种溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置3小时，静置温度为20℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在50℃烘箱中烘干，烘干时间为3天，被EDTA酸处理过的催化剂颗粒被干燥后，将制备成催化剂墨水，用于制备催化剂涂膜。
实施例七：
催化剂的处理方法：称取1克Volcan XC-72R炭黑制取的40%Pt/C催化剂置于烧杯中，加入400mL去离子水，充分搅拌分散，得到分散液；称取1g EDTA酸置于另一只烧杯中，加入200mL水中，充分溶解，配置成5 g/L的EDTA酸溶液；将分散液和EDTA酸溶液两种溶液混合均匀，充分搅拌2小时，静置3小时，静置温度为60℃，然后充分洗涤，重复洗涤5次，在200℃烘箱中烘干，烘干时间为2.5天，被EDTA酸处理过的催化剂颗粒被干燥后，将制备成催化剂墨水，用于制备CCM
对比例三：
称取1克未经EDTA处理过的40%Pt/C催化剂（英国庄信公司）制备成催化剂墨水，用于制备催化剂涂膜。
对比例四：
称取1克未经EDTA处理过的Volcan XC-72R炭黑制取的40%Pt/C催化剂制备成催化剂墨水，用于制备CCM。
对比例五：
称取1克未经EDTA处理过的Black pearl 2000炭黑制取的40%Pt/C催化剂制备成催化剂墨水，用于制备CCM。
将实施例一和实施例二中经EDTA酸处理后获得的载体制备的Pt/C催化剂与对比例一和对比例二中未经EDTA酸处理获得的载体制备Pt/C催化剂进行性能比较，得到氧还原极化曲线，测试条件：电解质为氧气饱和的0.1M HClO4；转速：2000rpm；扫速：10 mVs-1；担载量：1.6mg/cm-2，测试结果见附图1。
从图中可以看出实施例一中采用EDTA处理后的Volcan XC-72R载体的性能最优，而实施例二中未采用EDTA处理的Black Pearl 2000载体的催化剂性能最差，从图1还可以看出无论哪种载体，经EDTA处理后，其制备的Pt/C催化剂性能都有所提升。
将实例三-七和对比例三-五的催化剂制备CCM，用SGL的气体扩散层28BC封装所制备的CCM组装成MEA（membrane electrode assembly，简称MEA）进行测试，测试条件：P氢气=P空气=1.0bar；空气侧增湿，氢气不增湿；电堆温度为65℃，测试结果见附图2，从图中可以看出，无论采用何种催化剂载体制备的催化剂，经过EDTA或其盐处理后，催化剂性能更优、性能更稳定。

Claims (4)

1.一种用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）取催化剂整体或催化剂载体在适量去离子水中完全溶解形成分散液；
（2）称取一定量的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐加入去离子水中充分溶解形成浓度为0.1-10g/mL的有机溶液；
（3）将分散液和有机溶液混合，其中分散液中的催化剂整体或催化剂载体与有机溶液中的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸的金属盐按质量比为0.5:1~50:1，混合后搅拌均匀；
（4）将混合液在20-90℃条件静置12-24h后经多次洗涤后烘干，烘干条件为50-200℃，烘干时间为2-3天。
2.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，其特征在于：所述催化剂载体为导电性载体纳米碳黑、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米棒、金属或金属合金纳米颗粒、金属或金属合金纳米线、金属或金属合金纳米棒中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，其特征在于：所述催化剂载体为导电性载体金属氧化物或非金属氧化物的纳米颗粒、金属氧化物或非金属氧化物的纳米线、金属氧化物或非金属氧化物纳米棒中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的用于质子交换膜燃料电池催化剂的处理方法，其特征在于：所述催化剂整体为Pt/C催化剂。
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