一种燃料电池抗反极催化层及其制备方法与应用技术

本申请涉及一种燃料电池抗反极催化层及其制备方法与应用，所述燃料电池抗反极催化层含有如式一所示的结构片段，其制备方法包括：S1、阳极催化剂载体的制备；S2、Pt/NF

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池抗反极催化层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池抗反极催化层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是一种将储存在氢气和氧气中的化学能转化成电能的电化学能量转换装置，具有能量转换效率高、无污染、响应快、可低温快速启动、比功率高等优点，在汽车等多个领域具有广泛的应用前景，是氢能运用领域的研究热点。
[0003]膜电极(MEA，Membrane Electrode Assembly)作为质子交换膜燃料电池的核心部件，主要由五部分组成：质子交换膜、阳极和阴极催化层、阳极和阴极的扩散层。其中，阴极、阳极催化层作为膜电极的核心组件都是采用金属Pt作为催化剂，金属Pt不仅能催化H2发生氧化反应(HOR，Hydrogen Oxidation Reaction)，而且可以催化O2发生还原反应(ORR，Oxygen Reduction Reaction)。然而，在实际应用中，膜电极需经历不断启停的过程，O2/空气不可避免的进入到阳极区，使阳极发生氧气的还原反应(ORR)、阴极发生碳的氧化反应(COR，Carbon Oxidation Reaction)，即反极现象。反极现象会对催化层碳载体造成腐蚀，使得金属Pt团聚、流失，进而使得膜电极的性能严重衰减。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供一种燃料电池抗反极催化层及其制备方法与应用，旨在解决由于反极现象导致膜电极的性能衰减等问题。本申请通过合成N功能化的碳碳双键连接的共价有机框架材料来分散Pt纳米颗粒，使Pt原子能选择性对氢气催化氧化，可以降低由于反极现象导致的膜电极性能衰减。
[0005]为实现上述目的，一方面，本专利技术提供一种燃料电池抗反极催化层，含有如式一所示的结构片段：
[0006][0007]另一方面，本专利技术还提供所述燃料电池抗反极催化层的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1、将2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3,5
‑
三嗪、2,2
’
联吡啶
‑
5,5
’‑
二甲醛、溶剂和催化剂依次加入玻璃瓶中，往玻璃瓶中充氮气后密封，于100
‑
150℃反应3
‑
5天，用水淬灭反应，得到反应液；将所述反应液进行后处理，于60
‑
100℃干燥2
‑
4h，得到阳极催化剂载体(NF
‑
vCOF)；
[0009]S2、将步骤S1的阳极催化剂载体加入K2PtCl4溶液中，于30
‑
80℃搅拌0.5h，然后超声0.5h，得到混合液，清洗所述混合液，于60
‑
100℃干燥1
‑
4h，得到Pt/NF
‑
vCOF催化剂；
[0010]S3、将步骤S2的Pt/NF
‑
vCOF催化剂、混合溶液和Nafion D2020进行分散处理，得到分散处理液；将所述分散处理液置于真空脱泡机处理5
‑
20min，得到催化剂浆料；
[0011]S4、将步骤S3的催化剂浆料涂覆至PTFE基底表面，于30
‑
50℃干燥，得到涂覆的PTFE；将两片涂覆的PTFE置于质子交换膜的两侧，于100
‑
130℃、2
‑
4MPa转印200s，揭除PTFE基底，得到燃料电池抗反极催化层(CCM)。
[0012]步骤S1中，
[0013]所述2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3,5
‑
三嗪和2,2
’
联吡啶
‑
5,5
’‑
二甲醛的摩尔比为2：3。
[0014]所述溶剂为均三甲苯、邻二氯苯、乙醇、甲醇、正丁醇、N，N
‑
二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮和水中的一种或至少两种的混合物。
[0015]所述催化剂优选为盐酸、醋酸、氢氧化钠或碳酸钠中的一种。
[0016]所述溶剂优选为甲醇和均三甲苯按体积比1:1
‑
10混合的混合物；所述催化剂优选为氢氧化钠水溶液。
[0017]所述后处理通过如下方式进行：依次用水、DMF、乙醇和四氢呋喃清洗所述反应液，直至清洗液呈澄清状态。
[0018]步骤S2中，
[0019]所述K2PtCl4溶液为1mM的K2PtCl4溶液。
[0020]所述阳极催化剂载体和所述K2PtCl4溶液的质量体积比为1:5，即每5毫升K2PtCl4溶液加入1毫克阳极催化剂载体。
[0021]所述K2PtCl4溶液为K2PtCl4水溶液、K2PtCl4甲醇溶液或者K2PtCl4乙醇溶液。
[0022]所述清洗通过如下方式实现：采用水和四氢呋喃进行清洗，直至清洗液呈澄清状
态。
[0023]步骤S3中，
[0024]所述Pt/NF
‑
vCOF催化剂、混合溶液和Nafion D2020的质量比为1:(10
‑
15):(2
‑
5)。
[0025]所述混合溶液为去离子水和异丙醇按质量比(1
‑
3):4混合得到的溶剂。
[0026]所述Nafion D2020为20wt％的Nafion D2020。
[0027]所述分散处理优选为磁力搅拌、超声分散、高速分散或球磨分散。
[0028]所述分散处理的条件优选为于8000
‑
12000rpm分散处理2
‑
4h。所述分散处理优选在高速分散机中进行处理。
[0029]步骤S4中，
[0030]所述涂覆通过刮涂法实现。所述PTFE基底为0.1mm厚的PTFE基底。
[0031]所述燃料电池抗反极催化层可以应用于燃料电池中。
[0032]本申请通过合成N功能化的碳碳双键连接的共价有机框架材料，具有均匀分布的N功能化位点，其N功能位点来源为含有三嗪结构、吡啶结构的构筑单元，引入的N原子能和金属Pt在层内或层间配位螯合，从而能固定、很好地分散Pt纳米颗粒，使Pt原子能选择性对氢气催化氧化，可以降低由于反极现象导致的膜电极性能衰减。在本申请中，制备的共价有机框架材料为晶型有机多孔材料，具有良好的长程有序性、可调的孔道、易于功能化等特点，碳碳双键共价连接使得材料具有良好的热稳定性、耐酸腐蚀性和耐碱腐蚀性。本专利技术提供的催化层可以有效提升催化剂的利用率，并促进催化层的传质能力，具有良好的应用前景。此外，本专利技术的制备方法工艺可控，可重复性高，能够有效降低高性能膜电极的成本。
[0033]本专利技术目的的实现、功能特点及优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池抗反极催化层，其特征在于，含有如式一所示的结构片段：2.权利要求1所述的燃料电池抗反极催化层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3,5
‑
三嗪、2,2
’
联吡啶
‑
5,5
’‑
二甲醛、溶剂和催化剂依次加入玻璃瓶中，往玻璃瓶中充氮气后密封，于100
‑
150℃反应3
‑
5天，用水淬灭反应，得到反应液；将所述反应液进行后处理，于60
‑
100℃干燥2
‑
4h，得到阳极催化剂载体；S2、将步骤S1的阳极催化剂载体加入K2PtCl4溶液中，于30
‑
80℃搅拌0.5h，然后超声0.5h，得到混合液，清洗所述混合液，于60
‑
100℃干燥1
‑
4h，得到Pt/NF
‑
vCOF催化剂；S3、将步骤S2的Pt/NF
‑
vCOF催化剂、混合溶液和Nafion D2020进行分散处理，得到分散处理液；将所述分散处理液置于真空脱泡机处理5
‑
20min，得到催化剂浆料；S4、将步骤S3的催化剂浆料涂覆至PTFE基底表面，于30
‑
50℃干燥，得到涂覆的PTFE；将两片涂覆的PTFE置于质子交换膜的两侧，于100
‑
130℃、2
‑
4MPa转印200s，揭除PTFE基底，得到燃料电池抗反极催化层。3.根据权利要求2所述的燃料电池抗反极催化层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3,5
‑
三嗪和2,2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，张震，贺凤，祁鹤，
申请(专利权)人：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：