聚合物电解质膜燃料电池阴极纳米铂/炭电催化剂的制备方法  

　　本發明屬于聚合物電解質膜燃料電池陰極納米鉑/炭電催化劑的制備方法。本發明使用氯化铵、氯化鉀、溴化氨、溴化鉀、碘化氨或碘化鉀作爲氯鉑酸的錨定物，實現了氯鉑酸還原所得的鉑粒子在活性炭孔隙內與外表上的均勻分布，並且鉑的粒徑均一，直徑爲4±0.5納米，是一種簡便的制備納米鉑/炭電催化劑的新方法。該電催化劑對氧還原的催化性能與E-TEK公司的相應鉑/炭電催化劑相當。

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换功效高、环境污染小、工作条件和气以及体积小、重量轻、安全耐用等特点，它比较适合作为交通器用动力电源和便携式电源。目前，PEMFC的研制越来越受到各国的重视。氧还原作为PEMFC的阴极反应，其性能直接妨碍到整个电池的电压与输出功率。而阴极的性能要紧取决于阴极电催化剂的催化性能。迄今为止，人们差不多研究过的阴极电催化剂要紧有：(1)铂及其合金；(2)过渡金属大环化合物，特别是Fe及Co的卟啉和酞菁化合物；(3)具有钙钛矿、烧绿石等结构的过渡金属氧化物；(4)过渡金属原子簇合物。但是，后三种催化剂的内在催化活性和稳定性与铂及其合金相比，还有明显的差距，因此目前实际应用在PEMFC上的阴极电催化剂仍要紧为铂/炭。在铂/炭电催化剂中，铂的粒径是妨碍其催化氧还原活性的要紧因素，Peukert等研究表明，铂粒径为3-5nm的铂/炭电催化剂的质量比活性最高[M.Peuckert，T.Yoneda，R.A.Dalla Betta and M.Boudart，J.Electrochem.Soc.113(1986)944-947]，铂的粒径是由铂/炭催化剂的制备方法决定的。目前，铂/炭电催化剂的制备方法要紧有两类，一类是胶体法，即先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由该络合物进一步制备铂/炭电催化剂[如H.bnnemann，W.Bri joux，R.Brinkman，E.Dinjus，T.Joussen and B.Korall，Angew.Chem.103(1991)1344]，该类方法对温度、溶液浓度、pH值、反应时间等条件要求比较严格；另一类方法是浸渍法，即直接由氯铂酸出发，采用不同方法制备铂/炭电催化剂[如J.B.Goodenough，A.Hamnett，B.J.Kemmedy，et al.Electrochimica Acta，15(1990)199-207]，该类方法要紧依靠毛细管作用使氯铂酸溶液进入活性炭的孔隙，吸附在活性炭上，接着用还原剂进行还原，因此，氯铂酸的吸附能力显著妨碍最后催化剂的性能。当进入还原剂以后，由于扩散阻力的存在，本体溶液中的氯铂酸先被还原，又由于吸附平稳的存在，吸附平稳向本体溶液方向移动，吸附在活性炭孔隙内的部分氯铂酸就会脱附进入到本体溶液，因此实际上大部分氯铂酸的还原是在本体溶液中进行的，如此还原获得的催化剂必定产生铂粒子的聚集、铂粒径的均一性下降和活性炭承载不佳。一般很难制备铂微粒在活性炭孔隙中与外表上的分布状态均匀的纳米催化剂。