[发明专利]一种直接制备燃料电池用铂纳米晶核壳催化层的方法

说明书

本发明公开了一种直接制备燃料电池用铂纳米晶核壳催化层的方法。该催化层通过静电纺丝技术，先直接制备Pd/C‑Nafion催化层，粘结剂可以选为PAA、PVP等聚合物高分子，然后在三电极体系中，采用脉冲电沉积技术在Pd/C催化层上沉积Pt纳米晶，最终制备Pd/C@Pt核壳催化层。Pd/C@Pt催化层作阴极，担量为Pd 0.038mg cm^‑2，Pt 0.085mg cm^‑2,其单池最大功率密度为680mW cm^‑2(H₂‑Air)优于商业化阴极担量为0.09mg cm^‑2的膜电极。对两种催化层进行单池加速衰减测试，可发现Pd/C@Pt催化层具有更好的稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种直接质子交换膜燃料电池用铂纳米晶核壳催化层的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，被视为用于固定电站、电动汽车、便携式电源的理想动力源。然后其要想成功的商业化，主要面临成本和寿命两方面问题。在燃料电池组件中，催化剂的成本占了近一半，降低催化剂担量是降低燃料电池成本的最直接方式。因此，制备高活性催化剂和优化电极制备工艺，使低担量催化剂仍具有较高的催化性能是目前低温燃料电池研究的当务之急，对降低PEMFC的成本，加速其商业化进程具有极为重要的现实意义。传统制备膜电极方法的不足：碳载催化剂和电解质组分随机混合，无法保证其均匀性，无法有效的构筑质子、电子、气体的三相界面，催化层孔较致密，不利于传质，且较低担量时，电池性能很差。为克服传统制备方法的不足，现提出采用静电纺丝技术制备燃料电池催化层，首先将采用静电纺丝技术，制备Pd/C催化层后，在三电极体系中电沉积催化剂Pt，提高了催化剂的活性，优化了三相界面，使得在较低铂担量时，电池依然具有较好的性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种直接制备质子交换膜燃料电池用铂纳米晶核壳催化层的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种直接制备燃料电池用铂纳米晶核壳催化层的方法：

a)制备催化剂浆料：将10-50％Pd/C催化剂、2-10wt.％Nafion溶液和10-12.5wt.％高分子粘结剂溶液混合，超声1-4h，搅拌12-48h，得到纺丝浆料；Pd/C 催化剂、Nafion和高分子粘结剂的质量比为10:3-5:2-4；

b)采用静电纺丝技术，对浆料进行纺丝，得到Pd/C催化层；

c)在碳纸一侧刮涂质量比为10：0.1-3的碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)，制备得到气体扩散层(GDL)；

d)步骤b)得到的催化层采用热压法转印到涂有碳粉和PTFE的GDL一侧；转印时的热压温度为140-145℃，热压压力为0.5-2Mpa，热压时间为2-4min，最后得到气体扩散电极；

e)采用脉冲电沉积技术，在三电极体系中沉积铂纳米晶；步骤d)得到的气体扩散电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，石墨电极作为对电极，氯铂酸和硫酸溶液作为电解质；脉冲参数如下：电流为5-20mA cm^-2，电流供给时间0.2-1ms，电流断开时间为1.8-8ms，脉冲电沉积时间为300-3600s；最终制备得到钯为核、铂纳米晶为壳的Pd/C@Pt核壳催化层。

步骤a)中Pd/C催化剂中Pd担载量为0.05-0.25mg cm^-2。

步骤a)中的高分子粘结剂为聚合物高分子,可以为聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯胺(PANI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或二种以上；浆的料溶剂为异丙醇和/或水。

步骤c)中将碳粉和5-20wt.％聚四氟乙烯浆料混合物超声分散均匀，刮涂到碳纸一侧，厚度40-200μm；即制备得到气体扩散层。