技术前瞻性
质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂载体对降低Pt用量和成本、提高电池性能至关重要。石墨烯是继碳纳米管之后广受关注的又一新型碳材料，具有大比表面积、高导电率、优越的热力学和化学稳定性以及金属强相互作用等特性，在PEMFC催化剂载体方面具有极大应用潜力。传统氧化还原法制备石墨烯由于范德华力作用发生不可逆堆积，极大限制了活性组分在其表面的均匀分散和高效担载，影响催化剂利用率和电化学活性。此外，石墨烯的团聚不利于反应组分和产物在石墨烯片层间的扩散，直接影响反应速率。氧化过程还会引入大量结构缺陷，导致石墨烯电子传导率降低。上述情况均限制了石墨烯在PEMFC催化领域的应用。针对石墨烯载体应用存在的技术难点，大连化物所的系列研究结果显示，将石墨烯和具有良好导电性的功能材料（如最常见的碳质材料）组装成三维（3D）石墨烯基复合结构载体，进而高效担载Pt合金催化剂有效解决了上述技术难题。
技术引领性
目前，商业化的PEMFC催化剂大多以炭黑为载体。为进一步提高Pt及Pt合金催化剂的电化学催化活性和稳定性，本技术采用具有优异导电性和电化学稳定性的石墨烯为载体材料。为解决制备过程中石墨烯片层发生堆叠的问题，本技术以阳离子聚合物PDDA功能化的碳黑为间隔物，与氧化石墨烯通过静电作用自组装，再经化学还原得到三维石墨烯/功能化炭黑复合材料（3D rGO-FCB）。用其作为催化剂载体担载Pt及其合金纳米粒子，所制备的催化剂电化学活性和稳定性均得到大幅提升。这可归因于高石墨结晶度的三维多孔基底结构、强金属-载体相互作用和细小均匀的活性组分颗粒等特性。这种基于3D结构的Pt合金催化剂在PEMFC中具有广阔的应用前景。
三维结构石墨烯/功能化炭黑复合载体担载Pt催化剂制备流程示意图
技术颠覆性
多孔炭黑是质子交换膜燃料电池催化剂最常用的载体材料，但是在高电位时容易发生碳腐蚀造成催化剂纳米粒子流失，且担载在多孔碳内部孔深处的纳米粒子无法与电解质接触形成有效的三相界面。该技术采用三维石墨烯/功能化炭黑复合载体，可抑制石墨烯堆叠以保持3D结构的稳定性，进而大幅提高催化剂比表面积，保证催化剂与电解质良好接触，且石墨烯固有的物性将提高催化剂的耐受电位。质子交换膜燃料电池需要采用Pt纳米颗粒作为催化剂，但Pt的大量使用造成燃料电池成本居高不下。由于Pt纳米颗粒在电池运行中会发生团聚，将导致Pt的利用率降低。通过将Pt与Cu、Co、Ni等过渡金属形成合金，以及对纳米材料微观形貌的调控，能够降低合金的粒径以提供充足的活性位，且其独特的核壳结构能够避免过渡金属的腐蚀，进而提高Pt利用率，实现Pt用量及燃料电池成本的降低。
技术未来发展预期
PEMFC以其高效的能量转换效率和环保排放性能受到全球的关注，作为一种非常有前景的发电技术，PEMFC将在能源交通等领域占有越来越重要的地位。然而，在PEMFC被推向市场化的进程中，仍受到性能、成本、耐久性等方面的阻碍，其中就包括PEMFC催化剂材料的高初始成本和低耐久性的阻碍。结合3D结构的石墨烯/功能化炭黑新型催化剂载体、超细粒径/致密外壳的PtM合金活性组分以及低成本的批量制备方法，获得的基于3D结构复合载体的铂基合金催化剂，有望将PEMFC的Pt用量降低到0.1g/kW以下，超过 DOE 2020车用燃料电池铂基催化剂目标担载量，从而推动PEMFC获得大规模的商业化应用。
