用于燃料电池催化剂的制备方法及测试方法与流程

本发明属于燃料电池，尤其是涉及一种用于燃料电池催化剂的制备方法及测试方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)因其具有能量转换效率高、输出功率密度高、无污染副产物零排放等优点，被广泛认为是可靠的能源选择之一，受到了大量的研究。燃料电池商业化的最大挑战就是氧还原动力学缓慢，需要大量的贵金属铂催化剂，导致燃料电池成本高。目前最先进的催化剂都是分散在高比表面积碳载体上的铂和铂合金纳米颗粒，vxc-72和ketjen black是最有前途的碳载体，但仍存在一些尚不成熟的问题。作为石墨化程度低的无定形碳材料，它们在pemfc的高氧浓度、高含水量、低ph值、高温和高电极电位等腐蚀条件下电化学不稳定。燃料电池催化剂严重的碳腐蚀，导致不可接受的催化剂活性降低。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于燃料电池催化剂的制备方法及测试方法，至少部分的解决现有技术中存在的稳定性和抗腐蚀能力不足的问题。

2、第一方面，本公开实施例提供了一种用于燃料电池催化剂的制备方法，包括：

3、采用催化分解法制备碳纳米纤维载体，然后使用液相还原的方法在碳纳米纤维上负载铂纳米颗粒，得到燃料电池催化剂。

4、可选的，所述采用催化分解法制备碳纳米纤维载体，包括：

5、称取载体粉末，加入含有过渡元素的化合物中，将载体粉末和含有过渡元素的化合物研磨混合均匀后置于管式炉中，以氩气置换管式炉中空气后，持续通入氩气，然后以设定的升温速率升至第一设定温度，碳化第一设定时间，制备碳纳米纤维载体；

6、将制备的碳纳米纤维载体倒入烧瓶中，加入硫酸溶液，加热至第二设定温度，回流酸浸第二设定时间，从而除去过渡金属元素；

7、冷却至室温，对载体进行过滤洗涤，然后干燥，将干燥后的碳纳米纤维研磨后，置于管式炉中氮气氛围在第三设定温度中热处理第三设定时间。

8、可选的，所述设定的升温速率为3～5℃/min，所述第一设定温度为700℃～1000℃，所述第一设定时间为2～4h，所述第二设定温度为60℃～80℃，所述第二设定时间为4～6h，所述第三设定温度为800～1000℃，所述第三设定时间为1～3h。

9、可选的，所述载体粉末包括三聚氰胺、双氰胺或尿素，所述过渡元素包括铁、钴、镍或锰。

10、可选的，含有过渡元素的化合物包括含有过渡元素的化合物中的一种或多种，多种时，过渡元素质量比为1：1。

11、可选的，所述三聚氰胺与过渡金属化合物质量比为1：0.1～0.5。

12、可选的，所述使用液相还原的方法在碳纳米纤维上负载铂纳米颗粒，包括：

13、取干燥后的碳纳米纤维载体，加入乙二醇，超声分散后加入含铂元素的乙二醇溶液，再超声分散后，用含氢氧化钠的乙二醇溶液调节ph值，倒入烧瓶中，在氮气氛围中，在第四设定温度中油浴反应第四设定时间，反应结束冷却至室温后，对催化剂进行过滤洗涤，然后第五设定温度中真空干燥第五设定时间。

14、可选的，所述含铂元素的乙二醇溶液中铂载量为20wt％，所述调节ph值的ph值为9～11，第四设定温度为130℃～160℃，所述第四设定时间为3～5h，所述第五设定温度为60～80℃，所述第五设定时间为4～6h。

15、第二方面，本公开实施例还提供了一种催化剂性能测试方法，催化剂为使用第一方面任一所述的方法制备的催化剂，测试方法包括：

16、取催化剂样品于样品瓶中，加入超纯水、乙醇和nafion溶液得到催化剂溶液，将催化剂溶液超声分散形成分散均匀的溶液；然后，将电极头用的al2o3抛光粉进行打磨，将打磨后的电极头超声去除电极表面污渍，并去除电极表面异物，取分散均匀的溶液滴到电极表面并自然干燥，获得工作电极；

17、将配制的高氯酸溶液倒入电解池中，并用氮气鼓泡使得电解液中的空气完全被排出，从而获得氮气饱和的高氯酸水溶液；将工作电极安装至旋转圆盘电极上，放入高氯酸电解液中；在0.05v～1.2v测试区间以100mv/s的扫描速率进行cv测试直到cv曲线重合稳定不变，最后，将扫描速率改为50mv/s，再在相同的测试区间进行cv测试，记录三圈cv曲线，取第二圈为最终cv数据，从而得到电化学活性比表面积，电化学活性比表面积即为ecsa；

18、测试cv曲线后，将电势范围改为1v～1.6v，扫描速率改为100mv/s，cv循环5000圈，记录0.05v～1.2v，扫速50mv/s的cv曲线，5000圈循环后测得的ecsa与初始ecsa对比，获得燃料电池催化剂载体碳的腐蚀程度。

19、可选的，电化学活性比表面积是通过cv曲线的氢吸附或者脱附区域的面积积分获得的，以pt/c为催化剂样品为例，ecsa的计算是假设在pt表面吸附的氢原子是单原子形式的吸附的，使用在氢吸附区或脱附区进行积分计算，具体的计算公式如下：

20、

21、其中，sh是氢吸附区域的峰面积，v为扫描速率，mpt是电极表面pt的负载量。

22、本发明提供的用于燃料电池催化剂的制备方法及测试方法。其中该用于燃料电池催化剂的制备方法，催化分解制备的碳纳米纤维石墨化程度校高，高石墨化碳纳米纤维由于具有高度有序的特性，从而达到稳定性高且抗腐蚀能力强的目的。

技术特征：

1.一种用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述采用催化分解法制备碳纳米纤维载体，包括：

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述设定的升温速率为3～5℃/min，所述第一设定温度为700℃～1000℃，所述第一设定时间为2～4h，所述第二设定温度为60℃～80℃，所述第二设定时间为4～6h，所述第三设定温度为800～1000℃，所述第三设定时间为1～3h。

4.根据权利要求2所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述载体粉末包括三聚氰胺、双氰胺或尿素，所述过渡元素包括铁、钴、镍或锰。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，含有过渡元素的化合物包括含有过渡元素的化合物中的一种或多种，多种时，过渡元素质量比为1：1。

6.根据权利要求4所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺与过渡金属化合物质量比为1：0.1～0.5。

7.根据权利要求1所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述使用液相还原的方法在碳纳米纤维上负载铂纳米颗粒，包括：

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，所述含铂元素的乙二醇溶液中铂载量为20wt％，所述调节ph值的ph值为9～11，第四设定温度为130℃～160℃，所述第四设定时间为3～5h，所述第五设定温度为60～80℃，所述第五设定时间为4～6h。

9.一种催化剂性能测试方法，催化剂为使用权利要求1至8任一所述的方法制备的催化剂，其特征在于，测试方法包括：

10.根据权利要求9所述的催化剂性能测试方法，其特征在于，电化学活性比表面积是通过cv曲线的氢吸附或者脱附区域的面积积分获得的，以pt/c为催化剂样品为例，ecsa的计算是假设在pt表面吸附的氢原子是单原子形式的吸附的，使用在氢吸附区或脱附区进行积分计算，具体的计算公式如下：

技术总结
本发明提供了一种用于燃料电池催化剂的制备方法及测试方法。其中，用于燃料电池催化剂的制备方法，包括：采用催化分解法制备碳纳米纤维载体，然后使用液相还原的方法在碳纳米纤维上负载铂纳米颗粒，得到燃料电池催化剂。催化分解制备的碳纳米纤维石墨化程度校高，高石墨化碳纳米纤维由于具有高度有序的特性，从而达到稳定性高且抗腐蚀能力强的目的。

技术研发人员：吴建涛,李飞强,方川,张潇丹
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15