[发明专利]一种极薄燃料电池催化层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种极薄燃料电池催化层及其制备方法，所述催化层由质子交换膜、铜‑铂金属纳米催化剂和碳纤维纸组成，所述催化层的厚度为60‑160纳米；所述催化层的制备步骤为：(1)将质子交换膜浸泡于在铜盐溶液静置后加入还原剂和引发剂获得复合膜1；(2)将复合膜1浸泡在铂盐溶液中静置后转化为复合膜2；(3)将复合膜2与碳纸进行热压即可制得所述催化层。本发明所制备的催化层具有成本低廉、催化活性强、稳定性好及贵金属利用率高等优点，可广泛应用于燃料电池等能源领域。本发明的制备方法还具有操作简单、可重复性高及适合于大规模工业化生产等优点。

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种极薄燃料电池催化层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能量转化装置。因为它有着很高的能量转化效率,清洁的排放物,被认为是潜在的新能源汽车动力来源之一。然而现在燃料电池的关键部件之催化层的成本十分高昂，并且输出功率满足不了使用需求，这严重地阻碍了燃料电池的应用与推广。

传统的燃料电池催化层在构建的时候需要将催化剂先制成浆料，然后将浆料以涂覆的方式制成层状，待干燥后形成催化层；这样操作会导致催化层的厚度远大于催化反应物的扩散速度，因此催化反应物无法在催化层中实现均匀分布，催化层中就会有许多贵金属催化位点接触不到催化反应物，从而造成贵金属催化剂的浪费，而且这还会导致催化层的性能达不到预期，为了提高催化性能就需要提高催化剂的用量，这就大大提高了催化层的成本。

为了解决上述问题，一方面研究者们对贵金属催化剂进行改良，在降低贵金属用量的同时提高催化剂的本征催化活性，其中使用多组分金属纳米催化剂代替纯铂催化剂的方法行之有效，如苏州大学黄小青等人发表在Science上的论文(Science,2015,348:1230-1234)报道了氧还原催化活性远高于Pt/C催化剂的八面体Pt3Ni合金材料；本专利发明人发表在Journal of Power Sources上的论文(Journal of Power Sources,2017,365:17-25)报道了氧还原催化活性高于商业化Pt/C催化剂并且成本更低廉的Ag/Pt双金属催化剂。另一方面是改良催化层的制备/构建工艺，优化催化层的结构，例如将催化剂在催化层中进行梯度的分布，根据催化反应物在催化层中的分布规律来针对性地调控催化层中各个位置的贵金属催化剂含量，减少催化反应物分布少的位置的催化剂含量，从而减少贵金属催化剂的浪费。

发明内容

本发明的目的在于解决现有燃料电池催化层中的缺点，提供一种极薄燃料电池催化层及其制备方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种极薄燃料电池催化层，其特征在于，所述催化层由质子交换膜、铜-铂金属纳米催化剂和碳纤维纸组成，厚度为60-160纳米；其中，所述质子交换膜为具有质子传导能力的含磺酸根的高分子聚合物膜；所述铜-铂金属纳米催化剂以化学键形式连结于质子交换膜上，其尺寸为55-150纳米，铜和铂的质量比为1：1-1：19，质量密度为0.02-0.20毫克每平方厘米。

一种极薄燃料电池催化层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)将质子交换膜浸泡在浓度为0.001-2.000M的铜盐溶液中，静置0到48个小时后缓慢加入还原剂至其在溶液中的浓度为0.001-2.000M，然后缓慢加入反应引发剂至其在溶液中的浓度为0.001-2.000M，静置0到48个小时间后即可制得复合膜1；

(2)将步骤(1)中制备的复合膜1浸泡在铂盐溶液中，静置1-24小时即可制得复合膜2；

(3)将步骤(2)中制备的复合膜2与碳纤维纸进行热压即可制得所述极薄的燃料电池催化层。

优选地，步骤(1)中所述的质子交换膜为聚四氟乙烯和全氟-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物膜。