一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑的製作方法

2023-05-25 02:34:41

本發明屬於燃料電池催化劑領域，具體涉及一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑。

背景技術：

燃料電池具有能量轉換效率高、低汙染甚至零汙染等優點，被認為是未來理想的一種能量裝換方式。質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，具有燃料易製取且來源廣泛、低溫啟動性能好、零汙染等優點而具有非常好的應用前景。目前質子交換膜燃料電池主要以碳材料負載的鉑和鉑基合金為催化劑(Pt/C)。但Pt/C在質子交換膜燃料電池工作條件下，金屬催化劑與碳載體易受到化學和電化學腐蝕，嚴重影響質子交換膜燃料電池的活性與耐久性。因此，開發具有較好的活性且能在化學和電化學環境下穩定工作的質子交換膜燃料電池催化劑具有重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種具有良好的活性和耐久性的質子交換膜燃料電池催化劑及其製備方法。所製備的催化劑具有二維層狀且高度有序的特點，具有催化作用的貴金屬位於頂層，鋁/鈦金屬位於中間層，碳位於底層，貴金屬層與鋁/鈦層、鋁/鈦層與碳層之間存在強的作用力，因此催化劑具有很好的導電性和穩定性，表現出很好的電化學活性和耐久性。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑，呈二維層狀且高度有序，具有催化作用的貴金屬位於頂層，鋁/鈦金屬位於中間層，碳位於底層；所述鋁/鈦金屬為鋁或鈦，又或者是鋁和鈦任意比例的混合。

所述的貴金屬是金、銀、鉑、釕、銠、鈀、鋨和銥中的一種或任意比例的混合。

所述貴金屬與鋁/鈦金屬的摩爾比為2: 1~1.5。

金屬和碳的摩爾比例為n: (n-1)，其中2 ≤ n ≤ 4，所述金屬為貴金屬和鋁/鈦金屬的總和。

如上所述的催化劑的製備方法，具體步驟如下：

1）將貴金屬粉、鋁粉或鈦粉或者是鋁粉和鈦粉任意比例的混合粉末與石墨粉混合，球磨3~24小時後乾燥並煅燒，煅燒溫度為1100~1500 ℃，煅燒時間為2~12小時；

2）將煅燒後的產物於酸中攪拌1~24小時，過濾乾燥後即得到二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑。

所述貴金屬粉為300目的貴金屬粉；所述鋁粉為200目的鋁粉，鈦粉為300目的鈦粉；所述的石墨粉為300目的石墨粉。

步驟2）所述的酸為氫氟酸、硫酸、鹽酸、硝酸和高氯酸中的一種或幾種組合。

本發明的有益效果在於：本發明所製備的催化劑具有二維層狀且高度有序的特點，具有催化作用的貴金屬位於頂層，鋁/鈦金屬位於中間層，碳位於底層，貴金屬層與鋁/鈦層、鋁/鈦層與碳層之間存在強的作用力，因此催化劑具有很好的導電性和穩定性，表現出很好的電化學活性和耐久性。

附圖說明

圖1為本發明二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明做進一步說明，但本發明不僅僅限於這些實施例。

實施例1

一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑的製備方法，具體步驟如下：

1）將390 mg鉑粉、27 mg鋁粉和40 mg石墨粉混合，球磨3小時後烘乾；

2）將步驟1）所得產物於1100 ℃煅燒12小時；

3）將步驟2）所得產物於30wt%濃度的氫氟酸中攪拌1小時,過濾乾燥後即得到二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑。

所製得的催化劑，Pt:Al:C=2:1:1。

實施例2

一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑，製備方法如下：

1）將214mg鈀粉、30.5 mg鈦粉和80 mg石墨粉混合，球磨6小時後烘乾；

2）將步驟1）所得產物於1300 ℃煅燒6小時；

3）將步驟2）所得產物於3M硫酸中攪拌12小時，過濾乾燥後即得到二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑。

所製得的催化劑，Pd:Ti:C=2:1.5:2。

實施例3

一種二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑，製備方法如下：

1）將214mg金粉、108 mg 銀粉、13.5 mg 鋁粉、24 mg 鈦粉和80 mg石墨粉混合，球磨10小時後烘乾；

2）將步驟1）所得產物於1500 ℃煅燒2小時；

3）將步驟2）所得產物於5M硝酸中攪拌24小時，過濾乾燥後即得到二維有序的層狀質子交換膜燃料電池催化劑。

所製得的催化劑，(Au+Ag):(Al+Ti):C=(1+1):(0.5+0.5):2。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。