燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法

2023-05-14 00:19:31

專利名稱：燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法。
燃料電池種類很多，目前公認最具應用前景的是聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)。它具有可室溫快速啟動、壽命長、比功率與比能量高等突出優點，因此特別適合用作電動汽車及可攜式電子設備的電源。
目前PEMFC所用電催化劑主要為Pt/C和PtRu/C，前者用於陰極氧還原和陽極純氫的氧化；後者則作為抗CO的氫陽極催化劑和甲醇陽極催化劑。
高性能Pt/C催化劑的特徵是粒度為幾個納米的Pt高分散地擔載於具有高導電性、高比表面、抗腐蝕的炭載體上；PtRu/C除了高分散的特徵，還要求Pt與Ru形成微觀均勻的合金。
Pt/C與PtRu/C的製備方法已有不少報導，但操作都較複雜，成本較高。其中最具代表性的是Watanabe等報導的PtRu/C的製備方法(J.Electroanal.Chem.，1987，229395)，它包括多個步驟(1)用NaHSO3將H2PtCl6轉化成Pt(II)中間體H3Pt(SO3)2OH；
(2)用Na2CO3將溶液pH調節至5；(3)用H2O2將H3Pt(SO3)2OH轉化成PtO2，同時加適量NaOH使溶液保持pH＝5；(4)滴入RuCl3(NaOH)，體系形成膠體；(5)攪拌條件下加入炭黑(Vulcan XC72，粒度30nm)；(6)通H2還原；(7)過濾，洗滌去Cl-；(8)60℃空氣中乾燥，碾磨。
這種方法雖然可以得到高分散的PtRu/C(粒度3～4nm)，但操作步驟複雜難控，藥品消耗多，而且納米粉體的過濾分離十分困難、耗時，洗滌過程也容易導致貴重金屬流失。上述方法及其修改版本仍是至今最流行的燃料電池催化劑製備方法。
本發明提供的技術方案是一種燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法，將鉑或鉑基合金組分的化合物的醇溶液與炭載體攪拌混合，在40℃～100℃使醇溶劑緩慢蒸發得到乾粉體；將所得乾粉體在100℃～300℃用氫氣作為還原劑將炭表面金屬化合物還原為金屬或合金，即得所需炭載鉑基催化劑。
上述醇溶液中的醇為甲醇、乙醇、丙醇或異丙醇等低級醇。
用本發明所得鉑(或其合金)的粒度為1～2nm，在炭載體上分布均勻，對氫氣氧化、氧氣還原、一氧化碳氧化、甲醇氧化等聚合物電解質膜燃料電池相關電催化反應具有優異的性能。本方法操作簡單，無需過濾和洗滌，僅消耗少量廉價的化學藥品，非常適合工業上大規模生產。


圖1為本發明的「二步法」製備燃料電池炭載鉑基催化劑的流程圖；圖2為用本發明製得的炭載鉑基催化劑的電子顯微照片；圖3為本發明製備的PtRu/C催化劑(20wt％Pt、10wt％Ru)與Johnson Matthey公司同類產品對甲醇陽極氧化催化性能的對比。
以製備PtRu/C為例，將H2PtCl6與RuCl3溶於乙醇，加入炭黑(Carbot公司的Vulcan XC-72)並充分攪拌混勻；70℃下水浴蒸發乙醇；所得乾粉體在150℃下用氫氣還原1小時，得所需PtRu/C催化劑，其電子顯微照片見圖2。附圖3表明該催化劑與國際公認的代表性商品化同類催化劑相比，其對甲醇氧化的催化活性提高約50％(在實際工作電勢0.4V，相對於同溶液的氫平衡電勢)。實驗體系為80℃0.5M H2SO4+1M MeOH。圖中a為「二步法」所得催化劑的性能；b為Johnson Matthey公司催化劑的性能。
權利要求
1.一種燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法，其特徵是將鉑或鉑基合金組分的化合物的醇溶液與炭載體攪拌混合，在40℃～100℃使醇溶劑緩慢蒸發得到乾粉體；將所得乾粉體在100℃～300℃用氫氣作為還原劑將炭表面金屬化合物還原為金屬或合金，即得所需炭載鉑基催化劑。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是上述醇溶液中的醇為低級醇。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵是甲醇、乙醇、丙醇或異丙醇。
全文摘要
本發明公開了一種簡易、廉價的燃料電池炭載鉑基催化劑的製備方法。該方法只需兩個步驟，先將鉑(及其合金組分)的化合物的醇溶液與炭載體充分攪拌混勻，控溫水浴蒸發醇溶劑；再將所得乾粉體在溫和加熱條件下氫氣氛中還原。這個方法所得鉑(合金)的粒度為1～2nm，在炭載體上分布均勻，對氫氣氧化、氧氣還原、一氧化碳氧化、甲醇氧化等聚合物電解質膜燃料電池相關電催化反應具有優異的性能。本方法操作簡單，無需過濾和洗滌，僅消耗少量廉價的化學藥品，非常適合工業上大規模生產。
文檔編號B01J23/42GK1402367SQ0213913
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月30日 優先權日2002年9月30日
發明者莊林, 陸君濤 申請人:武漢大學