[发明专利]一种非担载型燃料电池催化剂浆料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池领域的催化剂，特别是具有导质子功能的燃料电池催化剂及其制备方法。 

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是反应过程中不涉及到燃烧，其能量转换效率不受＂卡诺循环＂的限制，因此其能量转换率高达60％—80％，实际使用效率则是普通内燃机的2—3倍。另外，它还具有燃料多样化、噪音低、对环境污染小等优点。 

目前，燃料电池使用的催化剂以铂或铂合金为主。在制备金属纳米颗粒的过程中，添加保护剂可有效控制金属纳米颗粒的粒径大小及其分散度，但在通常情况下，实际应用前需去除保护剂，制备步骤繁琐，同时后处理过程也有可能会造成金属颗粒粒径的增大。全氟磺酸树脂是燃料电池中常用的导质子聚合物，同时其所含有的磺酸基团对铂等金属离子具有强烈的吸附作用，以其作为催化剂制备过程中的保护剂，有利于所制备的催化剂在燃料电池中的应用。Zengcai Liu等人[Electrochimica Acta52，1213-1220，(2006)]以Nafion作为保护剂，在醇水溶液中，以醇作为还原剂，在一定的温度和pH值下，加热回流，制备了Pt纳米催化剂，考察了反应温度以及Nafion与Pt二者的物质的量之比，对于Pt纳米颗粒粒径及其催化活性的影响。实验中，对于Nafion与Pt二者的物质的量之比，作者选定1：2，1:1，2:1，4:1，8：1五种比例，实验结果显示，随着Nafion与Pt二者的物质的量之比的增加，Pt纳米颗粒的粒径首先呈减小的趋势，在Nafion与Pt二者的物质的量之比为2：1时，取得最小值，为2.7nm，之后逐渐增大，但是，其催化活性却一直呈现降低的趋势，即在Nafion与Pt二者的物质的量之比最小，即1：2时，催化剂的活性最高，而在此比例下，Pt的粒径最大，为4.3nm，可见，所制备的Pt纳米颗粒的催化活性并不随着其粒径的减小而增大。作者解释认为，尽管增加Nafion含量，在一定程度上可有效控制纳米颗粒的粒径大小，但过多的Nafion阻止了反应物向催化剂表面的扩散，从而降低了所制备的Pt纳米颗粒的催化剂活性。 

可见，以导质子聚合物作为保护剂制备金属纳米粒子催化剂应用于燃料电池，所添加的导质子聚合物的量很关键，为了有效的控制催化剂的粒径，应适当添加多量的导质子聚合物，但从实际应用角度考虑，添加量有一个适当的限度，过多的导质子聚合物包覆于金属纳米颗粒表面，一方面限制了反应物气体与金属催化剂的接触，减少了催化剂的有效活性面积， 另一方面也一定程度上减少了金属纳米颗粒之间的接触，减少了电子传导的通道，增大了电阻。 

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池催化剂浆料及其制备方法，其特征是以具有导质子功能的聚合物作为保护剂来制备金属催化剂。 

为了同时满足燃料电池催化层质子传导，电子传导以及反应物传质的要求，本发明在催化剂制备过程中，导质子聚合物的添加量，参照实际燃料电池催化层的组分构成，这样反应产物无需再去除或添加导质子聚合物，即可直接用来制备燃料电池催化层。 

通常情况下，燃料电池催化层中，导质子聚合物的含量低于催化剂的含量，若采用Zengcai Liu等人[Electrochimica Acta52，1213-1220，(2006)]制备方法，参照实际催化层的组分构成添加导质子聚合物，则所添加的导质子聚合物过少，不能有效的控制所制备的金属纳米颗粒的粒径。金属纳米颗粒的制备过程中，成核与颗粒的长大过程是决定最后所得纳米颗粒粒径大小及分散度的关键因素。本发明在制备过程中，采用强还原剂，加快了金属离子被还原的速度，这样在短时间内形成大量晶核，同时缩短了反应时间，减少了颗粒长大过程的时间，因此，在添加相对少量的保护剂的条件下，即可有效的控制所制备的金属纳米颗粒的粒径，所制备的催化剂的平均粒径在2～3nm范围内。 

本发明中，导质子聚合物与金属催化剂的质量之比，范围为0.02：1～1：1，在导质子聚合物为Nafion，其EW值为1100g/mol，金属催化剂为Pt的情况下，换算为物质的量之比，范围为0.0035：1～0.177：1，小于Zengcai Liu等人[Electrochimica Acta52，1213-1220，(2006)]实验中所采用的任意一种比例。 

本发明所述的具有导质子功能的聚合物为全氟磺酸树脂、磺化聚砜类树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂和磺化聚醚醚酮树脂中任意一种。