CN113363521A - 质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，包括：步骤S1：将质子交换膜燃料电池的废旧膜电极，去除气体扩散层；将去除气体扩散层后的废旧膜电极置于醇水溶液的器皿中，利用微波辐照器皿分离出电解质膜和催化层；步骤S2：取出电解质膜，将所得黑色浆液再次进行微波辐射处理，以还原铂氧化物得到单质铂催化剂；或向黑色浆液中加入盐酸和双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液；步骤S3：将所得黑色浆液依次进行固液分离、真空干燥得到单质铂催化剂；或者，将氯铂酸溶液中固体残渣分离，得到黄色氯铂酸溶液。本发明可快速分离催化层和电解质膜，高效富集铂金催化剂，实现废旧铂金催化剂闭环管理和高值化循环利用。

Description

质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是将氢能直接转化为电能的新型发电装置，具有结构简单、高效清洁，启动温度低，安静无噪音等优点，在新能源汽车和可移动电子设备等方面具有广阔的应用前景。尤其是，2014年日本丰田公司所开发的Mirai氢能燃料电池汽车成功上市，掀起了一轮氢能燃料电池汽车产业化的热潮。
膜电极是燃料电池发电系统的核心部件，由扩散层、催化层和质子交换膜构成，催化层由电催化剂(如Pt/C、PtRu/C)和离子树脂(如Nafion)组成。目前膜电极的铂载量为0.6～1.0毫克/平方厘米，每千瓦燃料电池的铂用量约为1克，单辆燃料电池轿车、客车的铂用量高达到50～100克，加上电极制备过程的铂损耗，稀缺且昂贵的铂金资源根本无法满足燃料电池汽车大规模普及的需求。因此，废旧铂催化剂作为“二次铂矿”，回收并再利用废旧铂金催化剂不仅降低燃料电池成本，助推其产业持续发展，还可以减少废弃物对环境的污染。
质子交换膜燃料电池铂金催化剂负载在碳载体上，与粘结剂、离子树脂混成浆液沉积于碳纸或电解质膜构成催化层。因此，废旧铂金催化剂回收过程主要涉及电解质膜与催化层的剥离、铂金属的回收再利用。目前，催化剂回收方法有很多，如高温灼烧法、王水溶解法、电化学溶解与沉积法、超临界流体法[WO:2006/115684、CN101507025、CN101130192、CN101280362、CN106898790A、CN101094928、CN106803596A、WO:2006/073840、WO:2006/024507]等。王水溶解和高温灼烧，产生大量废酸、高毒性氰化物及含氟气体，严重污染环境。电化学溶解法是借助电解溶解和再沉积铂金属[R.Latsuzbaia,E.Negro,G.J.M.Koper,ChemSusChem.,2015,8,1926–1934；R.Sharma,S.J.Andreasen,J.Chamier,andS.M.Andersen,Journal of The Electrochemical Society,2019,166(13)F963-F970；R.Sharma,K.Rode Nielsen,P.B.Lund,S.B.Simonsen,L.G.Madsen and S.M.Andersen,ChemElectroChem,10.1002/celc.201900846；S.Kanamura,M.Yagyu,MaterialsTransactions,2016,57(11):1972-1976]。该方法常使用硫酸与盐酸作为电解质，溶解过程缓慢，回收效率低，能耗高且产生大量废酸溶液，后期处理难且成本高。这些工艺普遍存在高耗能及高成本、二次污染严重等问题，已经不适合当今绿色、生态、循环、低碳的可持续发展理念。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，以便克服现有回收方式存在的上述至少部分缺陷。
发明内容
本发明提供一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，可快速分离催化层和电解质膜，高效富集铂金催化剂，实现废旧铂金催化剂闭环管理和高值化循环利用。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，所述回收方法包括：
步骤S1：将质子交换膜燃料电池的废旧膜电极，去除气体扩散层；将去除气体扩散层后的废旧膜电极置于醇水溶液的器皿中，利用微波辐照器皿分离出电解质膜和催化层；
步骤S2：取出电解质膜，将所得黑色浆液再次进行微波辐射处理，以还原铂氧化物得到单质铂催化剂；或向黑色浆液中加入盐酸和双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液；
步骤S3：将所得黑色浆液依次进行固液分离、真空干燥得到单质铂催化剂；或者，将氯铂酸溶液中固体残渣分离，得到黄色氯铂酸溶液。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S1中，膜电极中催化剂为铂碳催化剂，电解质膜为燃料电池用质子交换膜，气体扩散层为碳纸或碳布。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S1中，醇溶液可为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的任一种或几种的醇水混合溶液，醇水的体积配比在30～80％。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S1中，微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S2中，微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W，氮气或氩气为保护气。
作为本发明的一种实施方式，在所述的步骤S2中，盐酸浓度为0.5～1.0mol/L，双氧水浓度为0.1～0.5mol/L。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S3中，催化剂回收浆液固液分离方法为真空过滤或高速离心。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤S3中，催化剂真空干燥温度为50～80℃，干燥时长为2～10小时。
本发明的有益效果在于：本发明提出的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，可快速分离催化层和电解质膜，高效富集铂金催化剂，实现废旧铂金催化剂闭环管理和高值化循环利用。
附图说明
图1为本发明一实施例中回收后铂金催化剂X射线衍射图。
图2为本发明一实施例中回收后铂金催化剂透射电子显微镜图。
图3为本发明一实施例中回收后铂金催化剂的氧还原性能曲线。
图4为本发明一实施例中铂金催化剂的回收方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。
本发明揭示了一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，图4为本发明一实施例中铂金催化剂的回收方法的流程图；请参阅图1，所述回收方法包括：
【步骤S1】将质子交换膜燃料电池的废旧膜电极，去除气体扩散层；将去除气体扩散层后的废旧膜电极置于醇水溶液的器皿中，利用微波辐照器皿分离出电解质膜和催化层；
在本发明的一实施例中，膜电极中催化剂为铂碳催化剂，电解质膜为燃料电池用质子交换膜，气体扩散层为碳纸或碳布。醇溶液可为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的任一种或几种的醇水混合溶液，醇水的体积配比在30～80％。微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W。
【步骤S2】取出电解质膜，将所得黑色浆液再次进行微波辐射处理，以还原铂氧化物得到单质铂催化剂；或向黑色浆液中加入盐酸和双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液；
在本发明的一实施例中，微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W，氮气或氩气为保护气。在一实施例中，盐酸浓度为0.5～1.0mol/L，双氧水浓度为0.1～0.5mol/L。
【步骤S3】将所得黑色浆液依次进行固液分离、真空干燥得到单质铂催化剂；或者，将氯铂酸溶液中固体残渣分离，得到黄色氯铂酸溶液。
在本发明的一实施例中，催化剂回收浆液固液分离方法为真空过滤或高速离心；催化剂真空干燥温度为50～80℃，干燥时长为2～10小时。
在本发明的一实施例中，将一张面积为33cm×8.5cm的质子交换膜燃料电池车用废弃膜电极，去除气体扩散层碳纸，浸泡于乙醇溶液中5min后，进行微波辐射以分离催化剂和Nafion211膜，微波反应时间为10min，微波温度为30℃，微波功率为100W，压强为100Pa。然后取出残余片状物，所得黑色浆液再次进行微波辐射10min以还原铂氧化物得到铂催化剂，微波温度为130℃，微波功率为150W，氩气用作保护气体。最后，将回收液超声分散30分钟后，利用旋转圆盘电极测试其氧催化还原性能，如图3所示。
在本发明的一实施例中，将一张面积为33cm×8.5cm的基于聚苯咪唑(PBI)质子交换膜的废弃膜电极，去除气体扩散层碳布，放入异丙醇水溶液(醇水比为6:1)的器皿中，微波辐射以分离催化剂与PBI膜，微波反应时间为20min，微波温度为160℃，微波功率为100W，微波反应压强为150Pa。然后取出残余片状物，将所得黑色浆液再次进行微波辐射处理10min还原铂氧化物得到铂单质，微波温度为140℃，微波功率为150W，保护气体为氩气。所得黑色浆液采用离心机进行固液分离，离心速度为6000rpm，离心时间为4min。最后，将所得黑色固体样品放入70℃的烘箱中干燥12h，得到Pt催化剂粉末，用于X-射线衍射与透射电镜测试，如图1、图2所示。
在本发明的一实施例中，将一张面积为10cm×8cm的直接甲醇燃料电池的废弃膜电极，去除碳纸扩散层，放入乙二醇水溶液(醇水比为3:1)的器皿中，微波辐射以分离催化剂与Nafion117膜，微波反应时间为10min，微波温度为30℃，微波功率为100W。然后取出残余片状物，将浓度分别为1mol/L和0.5mol/L的盐酸和双氧水的混合溶液(盐酸和双氧水的摩尔比为3:1)加入到所得黑色浆液中以制取氯铂酸溶液，最后分离固体残渣，得到浓度为320μmol/ml的黄色氯铂酸溶液，作为制备Pt基催化剂的前驱体。
综上所述，本发明提出的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，可快速分离催化层和电解质膜，高效富集铂金催化剂，实现废旧铂金催化剂闭环管理和高值化循环利用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于，所述回收方法包括：
步骤S1：将质子交换膜燃料电池的废旧膜电极，去除气体扩散层；将去除气体扩散层后的废旧膜电极置于醇水溶液的器皿中，利用微波辐照器皿分离出电解质膜和催化层；
步骤S2：取出电解质膜，将所得黑色浆液再次进行微波辐射处理，以还原铂氧化物得到单质铂催化剂；或向黑色浆液中加入盐酸和双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液；
步骤S3：将所得黑色浆液依次进行固液分离、真空干燥得到单质铂催化剂；或者，将氯铂酸溶液中固体残渣分离，得到黄色氯铂酸溶液。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，膜电极中催化剂为铂碳催化剂，电解质膜为燃料电池用质子交换膜，气体扩散层为碳纸或碳布。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，醇溶液为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的任一种或几种的醇水混合溶液，醇水的体积配比在30～80％。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S1中，微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S2中，微波辐照时间为5～20min，微波温度为30～180℃，微波功率为50～300W，氮气或氩气为保护气。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述的步骤S2中，盐酸浓度为0.5～1.0mol/L，双氧水浓度为0.1～0.5mol/L。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，催化剂回收浆液固液分离方法为真空过滤或高速离心。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池废旧膜电极中铂金催化剂的回收方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，催化剂真空干燥温度为50～80℃，干燥时长为2～10小时。
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