燃料电池中聚合物负载催化剂电极及其制备方法.pdf

发明内容

本发明针对燃料电池电极制备中利用的载体碳只能电子导电，载体内部催化
剂Pt利用率低的问题，提出该电极由支持层和覆盖在支持层上的导电高分子聚
苯胺和催化剂Pt或Pt-Ru合金组成，利用同时具有电子和质子双重导电性能及
高稳定性的高分子聚苯胺代替传统的碳体材料作为分散催化剂Pt的载体。通过
对电极的支持层进行活化处理，利用电化学的方法在电极的支持层上电聚合聚苯
胺，并用电沉积的方法，将Pt或Pt/Ru沉积到聚苯胺中，形成导电高分子聚苯
胺做载体的燃料电池电极催化剂层。该方法制备的催化剂电极，即可以提高催化
剂Pt的分散度，使电极的有效催化表面积增大，又能使载体内部催化反应的H⁺
传递到电解质膜，从而提高Pt的利用率。

本发明制备的燃料电池聚合物负载催化剂电极包括两层，一层为支持层，由
碳纸、碳布、金属泡沫中的一种组成，支持层上面另一层为催化剂层，由电催化
剂Pt或Pt-Ru合金、载体聚苯胺和防水剂聚四氟乙烯组成。

本发明的制备步骤：

1、支持层的预处理

将支持层置于5-30％NaOH或KOH溶液中煮沸5-30分钟，用蒸馏水冲洗
至中性，然后在10-30％HNO₃溶液中煮沸10-20分钟，用蒸馏水冲洗至中性。

2、苯胺的电聚合

支持层经处理洗净后用作电极放入电解池中，电解池中加入二次蒸馏过的
苯胺与H₂SO₄配制成0.01-0.5molL^-1苯胺加0.2-1.0 molL^-1H₂SO₄的溶液。利用
循环伏安、恒电位或脉冲电位的方法，控制电势范围在-0.1-1.3V(相对于甘汞电
极)之间，控制聚合电量范围在0.2-0.8mC/cm²之间，在支持层上电聚合出聚苯
胺。

3、催化剂Pt或Pt-Ru的电沉积

将附有聚苯胺的支持层置于1-20mmolL^-1 H₂PtCl₆+0.5mol L^-1 H₂SO₄或加入
1-20mmol L^-1 RuCl₃的电解液中，利用循环伏安方法电沉积催化剂，控制电位扫
描范围为-0.2～0.55V(相对于甘汞电极)，控制沉积电量范围在0.01-0.03mC/cm²
之间。

4、制备聚苯胺载Pt或Pt-Ru电极。

沉积Pt或Pt-Ru之后，将电极浸入2％-5％的聚四氟乙烯(PTEF)溶液中
2-10分钟，在60℃-140℃的温度下干燥，制得聚苯胺载Pt或Pt-Ru电极。

本发明所制备的电极，聚苯胺作为催化剂的载体沉积到支持层上，并组装
成电极，由于聚苯胺分子本身的长链共轭结构、以及质子在聚苯胺分子长链上的
可逆掺杂，使得聚苯胺同时具有电子和质子双重导电的性能。燃料电池在工作时，
聚苯胺载Pt电极不但存在反应气体和水的连续通道，而且聚苯胺和负载的催化
剂本身还具备质子、电子两种通道功能，使得燃料电池电极内的反应立体化进行。
克服了传统碳载体只能电子导电，使载体内部催化剂Pt不能和膜电极直接接触
的缺点。因此，导电高分子聚苯胺在燃料电池电极中可以代替传统石墨用作催化
剂载体，提高催化剂Pt的利用率，优化了电极结构。聚苯胺聚合以后，催化剂微
粒在电极表面的高度分散，使电极的有效催化表面积增大，也可以提高催化剂利
用率。同时电极制备过程迅速，工艺简便易行，无需特殊设备，重现性好。另外，
聚苯胺负载Pt催化剂电极不仅可以用于燃料电池电极，还可以用于其它电池，
以及污染的处理，材料保护等许多领域。