[发明专利]一种提升燃料电池铂基催化剂耐久性的方法

说明书

本发明涉及一种提升燃料电池铂基催化剂耐久性的方法。本发明利用金属铱原子/团簇对铂基纳米颗粒进行表面修饰，形成高稳定性铂基催化剂。铱原子/团簇占据铂基纳米颗粒表面易发生氧化溶解的缺陷位点，提高了铂基纳米颗粒自身的电化学稳定性；同时，金属铱优异的催化水氧化能力，可以抑制电极电位突然升高所引起的炭载体的腐蚀，防止了铂基纳米颗粒的脱落、流失。在不降低初始活性的前提下，表面修饰金属铱原子/团簇有效提升了铂基催化剂的耐久性，该方法简单可控、普适性好，适合规模化批量处理。本发明对于延长燃料电池使用寿命，推进燃料电池技术实用化具有重要意义。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体地涉及一种提升燃料电池铂基催化剂耐久性的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的清洁能源转换装置，通过电化学反应可将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，被认为是电动汽车的理想动力源，是加快构建现代能源体系的重要技术手段。催化剂是PEMFC的关键材料，其作用是降低反应活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高电子转移速率。目前，PEMFC广泛使用的是以贵金属铂为活性组分的铂基催化剂。为提高铂利用率降低其用量，铂基催化剂通常以纳米颗粒的形式分散担载到炭载体上。然而，在燃料电池阴极氧还原条件下，尤其是动电位循环工况，铂基纳米颗粒会发生溶解、团聚；燃料电池启停过程产生高电压，会加剧炭载体腐蚀引起铂基纳米颗粒脱落、流失，最终导致铂基催化剂对氧还原反应的催化活性不断降低，严重影响燃料电池的运行寿命。

公开号为CN110190310A的发明专利申请涉及一种提升燃料电池催化剂及膜电极耐久性的方法。该专利申请使用氧化锡、氧化硅等氧化物对炭载铂催化剂(Pt/C)进行处理，以达到稳定铂纳米颗粒的目的。但氧化锡、氧化硅等氧化物的引入通常会使催化剂的导电性能变差，从而导致催化剂的催化活性有所降低，电池内阻也会增大。

公开号为CN102024965A的发明专利涉及一种提高燃料电池催化剂稳定性和催化剂利用率的方法：通过原位化学氧化聚合的方法在Pt/C表面修饰一层具有共轭大π键结构的导电聚苯胺，利用聚苯胺与铂纳米颗粒之间的强相互作用阻止铂纳米颗粒在炭载体表面的迁移、团聚长大。虽然聚苯胺修饰在一定程度上提高了催化剂的稳定性，但有机物的吸附势必对催化剂产生毒化作用，导致电化学活性表面积降低，影响催化活性。此外，有机物在氧还原条件下并不稳定，容易被氧化分解，使其稳定作用不能长期保持。

公开号为CN114142044A的发明专利申请涉及一种铂碳催化剂的碳包覆方法：将Pt/C 催化剂与油胺、油酸混合进行多步热处理，通过配体预交联、碳化、尿素掺氮活化等多种手段，最终在铂纳米颗粒表面形成1～2nm厚度的多孔氮掺杂碳层。多孔氮掺杂碳层的保护作用有效提升了催化剂的循环稳定性，并且初始活性也得以维持，但不可避免地导致电化学活性面积降低、活性位点减少，催化剂在燃料电池中的大电流放电性能还有待验证。此外，这种多步骤的碳包覆方法较为复杂，在一定程度上限制了催化剂的大规模生产。

由以上分析可见，研究开发铂基催化剂耐久性提升技术，对延长燃料电池寿命及推进燃料电池技术实用化具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种提升燃料电池铂基催化剂耐久性的方法，该方法利用金属铱原子/团簇对铂基纳米颗粒进行表面修饰，形成高稳定性铂基催化剂。铱原子/团簇占据铂基纳米颗粒表面易发生氧化溶解的缺陷位点，提高了铂基纳米颗粒自身的电化学稳定性；同时，金属铱优异的催化水氧化能力，可以抑制电极电位突然升高所引起的炭载体的腐蚀，防止了铂基纳米颗粒的脱落、流失。

本发明的技术目的是通过以下技术方案来实现的：

一种提升燃料电池的铂基催化剂耐久性的方法，采用金属铱原子/团簇对铂基催化剂进行表面修饰。

进一步地，本发明采用液相还原法使金属铱原子/团簇沉积到铂基纳米颗粒表面。