一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂及其制备方法。本发明专利技术铂钴合金碳催化剂的制备包括预处理过程及反应过程，得到的粗铂钴合金催化剂进行后处理，后处理时向粗铂钴合金催化剂中加入后处理溶液A，在0

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，氢能是21世纪最理想的能源之一，而高效利用氢能一直是科学家们研究的热点。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）可以将氢气的化学能直接转换成电能，能量转换效率高，氢能可以得到更有效的利用。催化剂作为燃料电池的“心脏”，对燃料电池的性能有决定作用，研发出高性能、低成本、长寿命的催化剂是PEMFCs商业化的前提。
[0003]PEMFCs催化剂目前应用最多的仍然是铂及铂基合金碳催化剂，而在铂合金催化剂中，PtCo
‑
C的交换电流密度值是6
×
10
‑
9A/cm2，是Pt
‑
C催化剂交换电流值的2倍，动力学角度性能更好。因此，制备PtCo
‑
C催化剂非常有意义，以目前合金催化剂的报道中，大部分重点在提高催化剂的氧还原性能，能够实际应用于燃料电池单电池，报道出燃料电池功率密度的不多。如中国专利CN111659419A公开了一种铂基合金催化剂的制备方法，催化剂的氧还原性能优异，但并未将催化剂实际制作成燃料电池单电池并测试燃料电池性能，不能充分说明其催化剂满足在燃料电池中的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂制备及后处理方法。本专利技术制备方法既可以提高催化剂氧还原性能，又可以提高单电池的功率密度，并能有效降低燃料电池的贵金属载量，制备及后处理方法可操作性强，商业化前景好，制备得到的催化剂应用于燃料电池单电池中，具有良好的性能。
[0005]为实现以上技术目的，本专利技术实施例采用的技术方案是：第一方面，本专利技术实施例提供了一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）将铂碳材料、水、钴源溶液混合并剪切分散0.1
‑
24h形成均匀悬浮液；在0
‑
80℃下加入适量添加剂调节悬浮液的pH值为9
‑
12，搅拌0.1
‑
100 h，压滤洗涤，20
‑
85℃下干燥0.5
‑
72h得到前驱体，其中水与铂碳材料的质量比为1
‑
20：1，钴源溶液中钴与铂碳材料中铂的摩尔比为0.01
‑
10；（2）将步骤（1）得到的含水率为5%
‑
70%的前驱体在保护气氛中于200
‑
850℃下进行高温焙烧0.5
‑
20 h，在100
‑
400℃进行骤冷退火，得到粗铂钴合金催化剂；（3）催化剂的后处理：向步骤（2）得到的粗铂钴合金催化剂中加入0.1
‑
40 L浓度为0.01
‑
10mol/L的后处理溶液A，在0
‑
80℃下处理0.5
‑
200h后，去除部分溶剂，再加入0.1
‑
40L浓度为0.01
‑
10mol/L的后处理溶液B，在0
‑
80℃下继续处理0.5
‑
200h后洗涤，20
‑
85℃干燥后得到铂钴合金碳催化剂。
[0006]进一步地，所述铂碳材料是铂质量含量为20%
‑
50%的铂碳催化剂，所述铂碳催化剂
的电化学活性面积为75
‑
120m2/g，铂颗粒的粒径为2
‑
5nm。
[0007]进一步地，所述钴源溶液的浓度为0.01
‑
12 mol/L，溶质选自硝酸钴、醋酸钴、氯化钴、硫酸钴中的一种或几种。
[0008]进一步地，所述添加剂是次磷酸钠、甲酸钠、亚硫酸钠、氢氧化钠、氨水和碳酸钠中一种或几种的混合物，所述添加剂与铂钴元素总量的摩尔比为0.1
‑
120:1。
[0009]进一步地，步骤（2）高温焙烧过程中所述保护气氛是氮气、氩气和氢气中的一种或多种的混合气，焙烧温度为450
‑
850℃。
[0010]进一步地，步骤中（2）所述的骤冷退火的退火速度为4
‑
30℃/min。
[0011]进一步地，步骤中（3）所述后处理溶液A和/或B是乙二醇、乙醇、三乙醇胺、正丁醇、酒石酸、抗坏血酸、柠檬酸、氢氧化钠、盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、高氯酸、氨水、过氧化氢、丙酮的水溶液或者上述物质的混合溶液，混合溶液的浓度为0.02
‑
10 mol/L。
[0012]进一步地，步骤（3）中所述的后处理温度为35
‑
70℃，后处理时间为0.5
‑
120 h。
[0013]第二方面，本专利技术实施例提供了一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂，采用上述制备方法制备而成。
[0014]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：1、本专利技术燃料电池铂钴合金碳催化剂制备及后处理方法，使用原料环保，制备工艺可操作性强，易于实现商业化。
[0015]2、本专利技术通过高温制备工艺使铂元素与钴元素合金化制备燃料电池合金催化剂，提高了合金化程度，降低了催化剂的成本，提高了燃料电池性能并且降低了应用在燃料电池单电池上贵金属的载量。
[0016]3、本专利技术制备出粗铂钴合金催化剂后，再通过特殊的后处理方法，去除了催化剂表面的未合金化的元素及杂质，有效提高了催化剂及使用催化剂制作的单电池的性能。
[0017]4、本专利技术所述的制备方法制备出的铂钴合金催化剂催化活性优异，氧还原性能好，应用在单电池上的功率密度高。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例1制备的铂钴合金碳催化剂的透射电镜图。
[0019]图2是本专利技术实施例1、对比例1制备的催化剂的氧还原性能曲线图。测试时电解质为氧气饱和的0.1M HClO4；转速：1600rpm；扫速：10 mVs
‑1。
[0020]图3是本专利技术实施例2
‑
3、对比例2制备的铂钴合金碳催化剂应用在单电池上测试的极化曲线对比图。单电池面积20cm2，阳极、阴极化学计量比1.5:2.5，阳极露点设为35℃，阴极露点为70℃，阳极进堆压力1.1bar，阴极进堆压力1.0bar，电池测试温度75℃。
[0021]图4是本专利技术实施例5
‑
6制备的铂钴合金碳催化剂的功率密度曲线对比图。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0023]实施例1
一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）预处理：称取1g铂碳材料（自制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将铂碳材料、水、钴源溶液混合并剪切分散0.1
‑
24h形成均匀悬浮液；在0
‑
80℃下加入适量添加剂调节悬浮液的pH值为9
‑
12，搅拌0.1
‑
100 h，压滤洗涤，20
‑
85℃下干燥0.5
‑
72h得到前驱体，其中水与铂碳材料的质量比为1
‑
20：1，钴源溶液中钴与铂碳材料中铂的摩尔比为0.01
‑
10；（2）将步骤（1）得到的含水率为5%
‑
70%的前驱体在保护气氛中于200
‑
850℃下进行高温焙烧0.5
‑
20 h，在100
‑
400℃进行骤冷退火，得到粗铂钴合金催化剂；（3）催化剂的后处理：向步骤（2）得到的粗铂钴合金催化剂中加入0.1
‑
40 L浓度为0.01
‑
10mol/L的后处理溶液A，在0
‑
80℃下处理0.5
‑
200h后，去除部分溶剂，再加入0.1
‑
40L浓度为0.01
‑
10mol/L的后处理溶液B，在0
‑
80℃下继续处理0.5
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200h后洗涤，20
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85℃干燥后得到铂钴合金碳催化剂。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池铂钴合金碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂碳材料是铂质量含量为20%
‑
50%的铂碳催化剂，所述铂碳催化剂的电化学活...

【专利技术属性】
技术研发人员：华秋茹，张义煌，张明，陈杰，李刚，
申请(专利权)人：无锡威孚高科技集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：