铂-导电金刚石复合抗反极催化剂及制备方法和燃料电池与流程

本发明涉及燃料电池的材料领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池的催化剂材料。

背景技术：

1、燃料电池作为一种新型电化学能量转换器，可使阴阳两极反应物在突破热力学卡诺循环的效率情况下，将化学能快速地转变为电能。质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell)因其启动响应快速、工作温度低且可进行模块式成堆安装的特点，被认为是最早实现商业化的燃料电池种类。

2、质子交换膜燃料电池的能量转换部件为膜电极装配(membrane electrodeassembly)，其中核心能量转换材料为以催化剂及质子交换树脂为主要物质所结合构成的催化剂层。现有接近大规模商业化的催化剂为由利用碳基类载体担载的纳米铂或铂合金类活性物质所组成的催化剂，其具有对阳极的氢氧化(hydrogen oxidation reaction)以及阴极的氧还原(oxygen reduction reaction)反应极快的电催化活性。

3、这种传统材料存在很大缺点：所担载活性物质的碳基类载体易在高电位或燃料电池反极状态下被腐蚀进而引起活性物质脱落和团聚，引起电池性能下降。而通常为增加载体高电位稳定性所使用的高温石墨化处理碳基类载体的方法，使得碳基类载体较为疏水，导致阳极催化剂层在燃料电池较干燥的工况下容易失水，从而引起催化剂层内阻上升，电池性能下降。同时，将质子交换膜电解水系统的如铱、钌类贵金属及其氧化物催化剂的引入，虽可使电池在反极状态下优先地氧化水以暂缓碳基载体的氧化腐蚀，但由于铱、钌类贵金属的特别稀缺性，其大规模商业化受到严重阻碍。

技术实现思路

1、基于上述提及的问题，有必要提供有必要提供一种铂-导电金刚石复合抗反极催化剂和使用该铂-导电金刚石复合抗反极催化剂的燃料电池。

2、一种铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，包括载体和活性材料，所述活性材料担载于所述载体上；

3、所述载体包括纳米蓝钻组合体，或者，所述载体包括纳米蓝钻组合体和碳基类载体；

4、所述活性材料包括铂、铂合金中的至少一种；

5、所述纳米蓝钻组合体包括纳米颗粒基底和形成于所述纳米颗粒基底的表面的导电金刚石颗粒层。

6、一种铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，包括主催化剂和助催化剂；

7、所述主催化剂包括碳载铂纳米颗粒、碳载铂合金纳米颗粒中的至少一种；

8、所述助催化剂包括纳米蓝钻组合体；

9、所述纳米蓝钻组合体包括纳米颗粒基底和形成于所述纳米颗粒基底的表面的导电金刚石颗粒层。

10、在一个实施例中，所述纳米颗粒基底为纳米金刚石颗粒、纳米氮化硼、纳米碳化硼、金属氧化物纳米颗粒、金属碳化物纳米颗粒、金属氮化物纳米颗粒、硅基纳米颗粒中的一种或多种。

11、在一个实施例中，所述硅基纳米颗粒包括纳米氮化硅、纳米碳化硅、纳米二氧化硅中的一种或多种。

12、在一个实施例中，所述金属氧化物纳米颗粒包括三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铋、氧化锆、氧化铬、三氧化二镍中的一种或多种。

13、在一个实施例中，所述金属碳化物纳米颗粒包括碳化钒、碳化锆、碳化铬、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽中的一种或多种。

14、在一个实施例中，所述金属氮化物纳米颗粒包括氮化钛、氮碳化钛中的一种或多种。

15、在一个实施例中，至少部分所述纳米颗粒的表面具有多孔结构。

16、在一个实施例中，所述碳基类载体包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、碳凝胶、有序介孔碳、无序介孔碳、碳纤维、碳化硼中的至少一种。

17、一种燃料电池，所述燃料电池的阳极和/或阴极的催化剂层使用上述所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂。

18、本发明的有益效果是：

19、1.以导电金刚石作为载体或催化剂添加剂，实现反极高电位下的优先水电解以抑制碳腐蚀的功能，比起昂贵稀少的铱、钌类贵金属及其氧化物，导电金刚石可人工合成，实现大规模的商业应用，使得燃料电池的推广应用更具可能性，且成本低廉。

20、2.经由纳米蓝钻组合体与碳基类载体结合的方式担载铂及铂合金纳米颗粒，或直接由纳米蓝钻组合体担载铂及铂合金纳米颗粒的方式，催化剂获得高耐久性，并提供全寿命周期的燃料电池催化剂层机械强度。

技术特征：

1.一种铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，包括载体和活性材料，所述活性材料担载于所述载体上；

2.一种铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，包括主催化剂和助催化剂；

3.根据权利要求1或2所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述纳米颗粒基底为纳米金刚石颗粒、纳米氮化硼、纳米碳化硼、金属氧化物纳米颗粒、金属碳化物纳米颗粒、金属氮化物纳米颗粒、硅基纳米颗粒中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述硅基纳米颗粒包括纳米氮化硅、纳米碳化硅、纳米二氧化硅中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒包括三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铋、氧化锆、氧化铬、三氧化二镍中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述金属碳化物纳米颗粒包括碳化钒、碳化锆、碳化铬、碳化钼、碳化铌、碳化钛、碳化钨、碳化钽中的一种或多种。

7.根据权利要求3所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述金属氮化物纳米颗粒包括氮化钛、氮碳化钛中的一种或多种。

8.根据权利要求1或2所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，至少部分所述纳米颗粒的表面具有多孔结构。

9.根据权利要求1或2所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，所述碳基类载体包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、碳凝胶、有序介孔碳、无序介孔碳、碳纤维、碳化硼中的至少一种。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的阳极和/或阴极的催化剂层使用如权利要求1-9所述的铂-导电金刚石复合抗反极催化剂。

技术总结
本发明提供一种铂‑导电金刚石复合抗反极催化剂，其特征在于，包括载体和活性材料，所述活性材料担载于所述载体上；所述载体包括纳米蓝钻组合体，或者；所述载体包括纳米蓝钻组合体和碳基类载体；所述活性材料包括铂、铂合金中的至少一种；所述纳米蓝钻组合体包括纳米颗粒基底和形成于所述纳米颗粒基底的表面的导电金刚石颗粒层。本发明还提供一种铂‑导电金刚石复合抗反极催化剂，包括主催化剂和助催化剂；所述主催化剂包括碳载铂纳米颗粒、碳载铂合金纳米颗粒中的至少一种；所述助催化剂包括纳米蓝钻组合体；所述纳米蓝钻组合体包括纳米颗粒基底和形成于所述纳米颗粒基底的表面的导电金刚石颗粒层。

技术研发人员：钟建华,张文英
受保护的技术使用者：广州德百顺蓝钻科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15