[发明专利]一种铂稀土燃料电池催化剂及其制备方法与燃料电池

说明书

本发明提供了一种铂稀土燃料电池催化剂及其制备方法与燃料电池，所述制备方法包括：混合铂、稀土金属与基底金属，依次进行熔炼、甩带与脱合金，得到铂稀土燃料电池催化剂。本发明中通过将铂、稀土金属和基底金属混合后依次进行熔炼、甩带和脱合金来制备铂稀土燃料电池催化剂，降低了贵金属铂的用量，配合甩带工艺，提升了含有铂和稀土金属的催化剂的催化性能和稳定性；采用的铂、基底金属与稀土金属的来源广泛，所述制备方法的工艺简单，容易控制，有利于铂稀土燃料电池催化剂的实现规模化生产。

技术领域

本发明属于燃料电池材料技术领域，涉及一种铂稀土燃料电池催化剂的制备方法，尤其涉及一种铂稀土燃料电池催化剂及其制备方法与燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(简称氢燃料电池或燃料电池)是氢能与燃料电池产业链的核心。电极催化剂是氢燃料电池最关键的组成部分之一。氢燃料电池电极催化剂主要是昂贵的铂(Pt)，其成本占到燃料电池电堆的40％以上(以年产50万套估算)。开发高性能低铂催化剂对于氢燃料电池成本的降低和大规模应用具有重要意义。

氢燃料电池的电极催化剂包括阳极氢氧化(HOR)催化剂和阴极氧还原(ORR)催化剂。其中，阴极ORR是电极反应的速率控制步骤，阴极ORR催化剂的铂用量占总铂用量的80％以上，开发低铂阴极催化剂是降低燃料电池成本的关键。铂与稀土金属合金化可以显著提升阴极催化剂的活性，是降低铂用量的重要方法。与此同时，稀土金属作为燃料电池中自由基的猝灭剂，能够有效的消除电催化过程中产生的具有强氧化性的自由基，从而提升催化剂的循环稳定性。因此，铂稀土合金催化剂的开发利用是一种有效降低铂含量和提高催化性能的重要方法。

虽然铂-稀土合金在活性和对质子交换膜保护上具有很多优势，但设计制备与可控合成是其存在的最大问题。由于铂与稀土元素的电化学还原电位差距较大，同时稀土元素非常易于氧化，常规化学还原法制备Pt-稀土合金非常困难，得到的更多是铂-稀土合金/氧化物混合相。虽然研究人员采用固态化学还原法(如：含氮前驱体聚合-生成多孔稀土氨基腈-氢气还原等)制得了铂-稀土合金，但这种方法制得的催化剂仍存在内部不稳定的缺陷，导致合金的电化学氧还原稳定性远未达到预期。物理法目前是制备铂-稀土合金的重要手段，包括磁控溅射法与硬模板辅助的物理熔炼法等。磁控溅射法制备的铂-稀土合金活性高、稳定性好，但制备条件苛刻，不容易放大。

CN109802148A公开了一种车载燃料电池用负载型铂稀土金属阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)取乙二醇、碳载体、氯铂酸的乙二醇溶液、稀土金属盐的乙二醇溶液混合均匀，调节pH至10～13，得到混合溶液；(2)称取硼氢化钠溶于乙二醇中，超声分散至无气泡产生，再逐滴加入步骤(1)制备的混合溶液中，升温反应；(3)反应结束后，调整反应后的溶液的pH至1～4，搅拌过夜，真空抽滤，干燥，即得到目的产物。

CN1258828C公开了属于燃料电池材料制备技术范围，采用水热法的一种质子交换膜燃料电池用多元催化剂的制备方法。其制备是将载体、一种或两种贵金属化合物、一种或两钟稀土金属氧化物、去离子水加到密闭容器内，在惰性气氛中，110～300℃，压力0.3～4Mpa下反应1～24小时，冷却后加入还原剂，在100～200℃下，还原1～10小时，然后洗涤、过滤、干燥得到多元催化剂。

CN107994237A公开了一种燃料电池用多金属催化剂及其制备方法，该催化剂包括活性组分和载体，其中活性组分由Pt与过渡金属、稀土金属按摩尔比1:(2～8):(2～5)组成，所述的载体为导电碳、蛭石按质量比100:10～20的混合物，所述的Pt在载体上负载量为10～20wt％。

目前公开的铂稀土燃料电池催化剂的制备方法都有一定的缺陷，存在着制备成本较高、内部结构不稳定、催化活性较差、制备条件苛刻且难以放大的问题。因此，开发设计一种新型的铂稀土燃料电池催化剂及其制备方法与燃料电池至关重要。

发明内容