一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法与流程

本发明属于催化剂膜电极的制备方法，尤其是涉及一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种高效的能量转换装置，能够将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能，具有绿色环保、高比能量、低温快速启动和高平稳运行的特点，被认为是替代内燃机的理想动力来源。就目前pemfc的发展进程而言，解决成本和寿命问题是加速氢燃料电池商业化进程的关键。

2、膜电极(mea)作为氢燃料电池的“心脏”，主要由质子交换膜、催化层和气体扩散层三部分组成。膜电极是多项物质传输和电化学反应的核心场所，承担了燃料电池全部电化学反应，以及电子、质子、气体和水的传导。高性能、低铂载量、低成本的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。通过从膜电极催化层和层间界面结构的设计与优化角度出发，构筑高效稳定的膜电极，实现膜电极反应气体、质子和水的高效输运，进一步提高催化剂利用率，在保证pemfc性能和寿命的基础上实现膜电极的低pt结构设计。

3、降低催化剂中的铂载量的方法主要是将pt与第一过渡周期金属(m)元素合金化，如co、ni和fe。其中，ptco合金是目前设计燃料电池催化剂中最有前景的体系，因其高初始质量活性受到更多关注，电化学初始性能是铂碳催化剂的约3～4倍。尽管初始活性很高，但在膜电极应用过程中，由于pt和co金属原子的快速溶解，导致电位衰减、质量活性下降和电化学活性表面积损失，以及催化剂纳米颗粒形态的相应变化。此外，铂合金催化剂阳离子金属纳米颗粒浸出造成质量传输损失。因此，开发高性能高耐久性的ptco催化剂膜电极至关重要。

4、离子液体(ionic liquid,il)是一类由咪唑、吡啶、季铵等大型不对称有机阳离子和无机阴离子组成的熔融盐。一方面，离子液体在微孔和中孔的填充离子强度在2.77-5.3×103mol m-3之间，为孔内铂活性位点提供充足的质子传递。这些微孔和较小的中孔内il可以引起局部纳米限制，进而促进orr。另一方面，利用离子液体与金属原子间的静电相互作用稳定金属原子，能够有效提升金属原子的稳定性，缓减金属原子的溶解。咪唑类离子液体极具广泛的应用前景，在众多工作中皆有报道，其中具有bf4-的无机阴离子会与pt、co等单原子桥接，阻碍其形成二聚体，使其形成二聚体的能垒提高了6倍。阴离子通过与载体上的pt、co直接相互作用，从而稳定pt、co原子并调节其电子结构，而阳离子则平衡电荷，并可能提供额外的空间稳定性。

5、当前mea存在的技术问题：(1)pt的使用造成mea制备成本高；(2)pt利用率低；(3)ptco合金电化学初始性能很高，但在膜电极应用过程中，不能完全体现电化学性能优势，同时由于pt和co金属原子的快速溶解，导致电位衰减、质量活性下降和电化学活性表面积损失，以及催化剂纳米颗粒形态的相应变化。此外，铂合金催化剂阳离子金属纳米颗粒浸出造成质量传输损失，最终造成显著的性能降低等问题。

技术实现思路

1、本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法。

2、本发明采用如下技术方案实现。

3、一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、步骤1)将阴极合金催化剂或阳极催化剂分别与超纯水、异丙醇溶剂混合，进行一次分散得到均匀溶液，随后加入离聚物和离子液体，再进行二次分散得到均一分散的阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料；

5、步骤2)将步骤(1)制得的阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料涂覆于质子交换膜两侧，得到ccm膜电极，再利用塑封膜进行封边；

6、步骤3)将步骤(2)制得的ccm膜电极进行热压处理，再将气体扩散层固定于ccm膜电极两侧组装得到燃料电池膜电极组件。

7、进一步为，本发明步骤1)中，阳极催化剂浆料中选用的催化剂为pt/c催化剂，铂含量为50wt％～60wt％；阴极催化剂浆料中选用的催化剂为ptco/c合金催化剂，铂含量为40wt％～50wt％。

8、进一步为，本发明步骤1)中，离聚物为5wt％的nafion溶液；所述nafion溶液与阴极合金催化剂或阳极催化剂的质量比为(0.2～0.8):1。

9、进一步为，本发明步骤1)中，所述超纯水与异丙醇溶剂的体积比为1:1～1:4。

10、进一步为，本发明步骤1)中，离子液体为咪唑类衍生物；具体为带有无机阴离子bf4-的离子液体[bmim][bf4]、[c2mim][bf4]、[emim][bf4]中的一种或几种。

11、进一步为，本发明步骤1)中，离聚物与离子液体的质量比为0.1～0.4:1。

12、进一步为，本发明步骤1)中，所述一次分散方式为磁力搅拌，时间5分钟；二次分散依次采用磁力搅拌分散和超声分散，其中，所述超声分散的时间为30～60min，所述磁力搅拌分散的时间为10～30min，转速为1200rpm。

13、进一步为，本发明步骤2)中，质子交换膜为戈尔膜；步骤3)中，气体扩散层型号为sgl 28bc。

14、进一步为，本发明步骤2)中，ccm膜电极中阴极催化层中的铂载量为0.25mg/cm2，阳极催化层中的铂载量为0.1mg/cm2。

15、进一步为，本发明步骤(3)中热压条件为：热压温度为135℃，热压压力为0.5mpa，热压时间为150s。

16、本发明的有益效果为，本发明制备得到的ccm膜电极最高功率密度达1263mwcm-2；且衰减仅8.5％；作为对比功率密度仅有1102mwcm-2；且衰减达44.7％；因此本发明制备的ccm膜电极作为燃料电池膜电极组件具有高效稳定的显著优点。

17、下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。

技术特征：

1.一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，阳极催化剂浆料中选用的催化剂为pt/c催化剂，铂含量为50wt％～60wt％；阴极催化剂浆料中选用的催化剂为ptco/c合金催化剂，铂含量为40wt％～50wt％。

3.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，离聚物为5wt％的nafion溶液；所述nafion溶液与阴极合金催化剂或阳极催化剂的质量比为(0.2～0.8):1。

4.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述超纯水与异丙醇溶剂的体积比为1:1～1:4。

5.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，离子液体为咪唑类衍生物；具体为带有无机阴离子bf4-的离子液体[bmim][bf4]、[c2mim][bf4]、[emim][bf4]中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，离聚物与离子液体的质量比为0.1～0.4:1。

7.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述一次分散方式为磁力搅拌，时间5分钟；二次分散依次采用磁力搅拌分散和超声分散，其中，所述磁力搅拌分散的时间为10～30min，转速为1200rpm，所述超声分散的时间为30～60min。

8.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤2)中，质子交换膜为戈尔膜；步骤3)中，气体扩散层型号为sgl 28bc。

9.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤2)中，ccm膜电极中阴极催化层中的铂载量为0.25mg/cm2，阳极催化层中的铂载量为0.1mg/cm2。

10.根据权利要求1所述的一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，其特征在于，步骤(3)中热压条件为：热压温度为135℃，热压压力为0.5mpa，热压时间为150s。

技术总结
本发明涉及一种具有离子液体的低铂催化剂膜电极制备方法，包括如下步骤：步骤1)将阴极合金催化剂或阳极催化剂分别与超纯水、异丙醇溶剂混合，进行一次分散，随后加入离聚物和离子液体，再进行二次分散得到阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料；步骤2)将制得的阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料涂覆于质子交换膜两侧，得到CCM膜电极，再利用塑封膜进行封边；步骤3)将制得的CCM膜电极进行热压处理，再将气体扩散层固定于CCM膜电极两侧组装得到燃料电池膜电极组件。本发明制备得到的CCM膜电极最高功率密度达1263mWcm<supgt;‑2</supgt;；且衰减仅8.5％；作为对比功率密度仅有1102mWcm<supgt;‑2</supgt;；且衰减达44.7％；因此本发明制备的CCM膜电极作为燃料电池膜电极组件具有高效稳定的显著优点。

技术研发人员：奚金燕,刘锋,唐玲,栗云彦,刘健,高世鑫,候攀
受保护的技术使用者：云南贵金属实验室有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15