[发明专利]一种燃料电池用Pt基催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用Pt基催化剂的制备方法。本发明基于溶液自组装法合成了PDDA功能化修饰的炭黑‑石墨烯复合物，并进一步经过溶剂热还原得到了三维多孔的Pt/功能化炭黑‑石墨烯复合催化剂。研究发现，该三维复合催化剂具有高比表面积，丰富的孔道结构，良好的导电性，优异的离子传输能力，较小的粒径尺寸和均匀的粒径分布。电化学测试结果表明，该三维多孔的Pt/功能化炭黑‑石墨烯复合催化剂具有优异的氧还原催化活性和循环稳定性，可作为质子交换膜燃料电池的高效阴极催化剂。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种低温燃料电池用三维多孔的Pt/功能化炭黑-石墨烯复合催化剂的制备方法。

背景技术

作为一种清洁能源转化设备，质子交换膜燃料电池具有功率密度高、快速启动、操作温度低及污染小等优点，在动力电源和固定电站方面表现出良好的应用前景。但是，其阴极氧还原反应的动力学速率较慢，需要使用大量的Pt基催化剂，而Pt的资源有限，价格很高，从而提高了燃料电池的成本，限制了其商业化应用。因此，为了降低燃料电池的成本，必须降低Pt的用量，这就要求提高Pt的电催化性能。而为了提高Pt基催化剂的催化剂活性、稳定性及降低其用量，探索和研究新型碳载体材料以提高Pt基纳米粒子的分散及稳定性是一种行之有效的途径。

石墨烯是由sp2碳原子键组成的二维结构体，它有着独特的物理性质:较大的比表面积(理论比表面积高达2620m²g^-1)，良好的电导性，优异的化学稳定性及易于进行表面修饰。因此，石墨烯为提高燃料电池催化剂的性能开辟了新的方向。然而，石墨烯作为催化剂载体的研究依然存在许多问题。例如，石墨烯片层之间在还原或干燥过程中因为范德华力可能会发生不可逆的团聚,甚至会重新堆积成石墨结构，不仅会破坏石墨晞的高比表面，而且不利于石墨烯载铂浆料的分散；石墨烯在前期制备过程引入了大量的结构缺陷，降低了石墨烯的导电性，影响电催化过程中的电子传递速率。

为解决上述问题，研究人员开发了新型三维石墨烯复合结构载体，该结构通常由石墨烯和导电纳米材料如导电聚合物，C₃N₄纳米片，碳纳米管等组合而成。通过导电纳米材料的引入，一方面嵌入石墨烯片层间，阻止了石墨烯片的团聚，并作为结构导向剂形成三维复合石墨烯结构，另一方面，通过纳米复合修复石墨烯的结构缺陷，提高复合载体的导电率。Huang等人报导了一种Pt修饰的由石墨烯和g-C₃N₄纳米片构建的三维复合结构用作甲醇氧化催化剂，表现出优异的电催化性能(Huang,H.,et al.,Pt-Decorated 3DArchitectures Built from Graphene and Graphitic Carbon Nitride Nanosheets asEfficient Methanol Oxidation Catalysts.Advanced Materials,2014.26(30):p.5160-5165.)。此外，Wang等人利用CNTs有效阻止了石墨烯的重新聚结制备了三维多孔结构的GS-CNTs复合支撑材料，GS-CNTs负载的PtRu纳米催化剂展示了较高的CO_ads耐受性和对甲醇的电催化氧化活性(Wang,Y.-S.,et al.(2013).Three-dimensionally porous graphene-carbon nanotube composite-supported PtRu catalysts with an ultrahighelectrocatalytic activity for methanol oxidation.Electrochimica Acta 87:261-269.)。尽管多种三维石墨烯复合物已被合成，它们用作燃料电池氧还原催化剂的载体却鲜有报导。此外，制备过程复杂，能耗高，成本高等问题也限制了这些三维石墨烯复合物的实际应用。

综上所述，亟需探索一种简便、低成本的方法合成具有大比表面积、高导电性的三维石墨烯复合载体，并用其担载Pt纳米粒子作为催化剂以提高燃料电池氧还原性能。

发明内容