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CN104810527A - 用于燃料电池的电极催化剂、电极和燃料电池 - Google Patents

用于燃料电池的电极催化剂、电极和燃料电池 Download PDF

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CN104810527A
CN104810527A CN201410635684.2A CN201410635684A CN104810527A CN 104810527 A CN104810527 A CN 104810527A CN 201410635684 A CN201410635684 A CN 201410635684A CN 104810527 A CN104810527 A CN 104810527A
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amino
amido
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electrode catalyst
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金埈永
金娟秀
李圣哲
金泰允
金熙卓
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Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

在本文的一方面，提供一种用于燃料电池的电极催化剂、一种用于燃料电池的电极和一种燃料电池，所述电极催化剂包括碳质载体和负载在碳质载体中的金属催化剂，其中，氨基或胺基C6-C30多环芳香烃化合物非共价地结合到碳质载体的表面。

Description

用于燃料电池的电极催化剂、电极和燃料电池
通过参考将随本申请提交的申请数据表中标示的国外或国内优先权要求的任何和所有申请包含于此。例如，本申请要求于2014年1月23日提交至韩国知识产权局的第10-2014-0008295号韩国申请的优先权和权益，通过引用将该韩国申请的公开内容全部包含于此。
技术领域
所描述的技术涉及一种用于燃料电池的电极催化剂、一种制造用于燃料电池的电极催化剂的方法、一种包括当前电极催化剂的燃料电池用电极和一种包括当前电极催化剂的燃料电池。
背景技术
燃料电池可以分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等。
PEMFC和DMFC通常包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件(MEA)包括阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的聚合物电解质膜。燃料电池的阳极包括用于使燃料氧化的催化剂层，阴极包括用于使氧化剂还原的催化剂层。
然而，金属催化剂的电化学表面积(ECSA)会因在燃料电池的运行期间发生的碳质载体的腐蚀和聚集而减小。因这种腐蚀和聚集，导致使用包括金属催化剂的电极催化剂会降低电极催化剂的活性和耐久性。因此，需要进行改善。
发明内容
在这里公开的一些实施例中，提供一种用于燃料电池的氨基或胺基电极催化剂，所述氨基或胺基电极催化剂包括碳质载体和负载在碳质载体中的金属催化剂，其中，在碳质载体的表面上，碳质载体非共价地结合到在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物。
在一些实施例中，提供一种包括该电极催化剂的燃料电池用电极。
在一些实施例中，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括阴极、设置为与阴极相对的阳极以及设置在阴极与阳极之间的电解质膜，其中，阴极和阳极中的至少一个包括所述电极催化剂。
使用根据本文实施例的用于燃料电池的当前电极催化剂得到具有改善的耐久性和活性的燃料电池。
附图说明
图1示出了根据本实施例的电极催化剂中，碳质载体与在其端部具有氨基或胺基的多环芳香族化合物之间的相互作用，其中，该化合物非共价地结合到碳质载体的表面；
图2是示出燃料电池的实施例的分解透视图；
图3是燃料电池中的膜电极组件(MEA)的示意性剖视图；
图4是根据示例1制造的电极催化剂的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM/SAED)/选区电子衍射(SAED)分析的图像；
图5是根据示例1制造的电极催化剂的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM/SAED)/选区电子衍射(SAED)分析的图像；
图6是根据示例1制造的电极催化剂的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM/SAED)/选区电子衍射(SAED)分析的图像；
图7示出示例1和对比示例1的碳质载体的X射线衍射(XRD)分析的结果；
图8示出示例1的电极催化剂的X射线衍射(XRD)分析的结果；
图9示出在示例1的电极催化剂的制造期间使用的碳质载体的拉曼光谱；
图10示出根据示例1以及对比示例1和对比示例2的负电极中的电极催化剂的电化学表面积(ECSA)的减少的程度。
具体实施方式
在下文中，将具体描述根据实施例的用于燃料电池的电极催化剂、包括电极催化剂的燃料电池用电极、制造电极的方法以及包括包含电极催化剂的电极的燃料电池。
用于燃料电池的电极催化剂包括碳质载体和负载在碳质载体上的金属催化剂，而且其中，在碳质载体的表面上，碳质载体非共价地结合到在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物。
如这里所使用的，非共价键是指在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的一个或更多个苯环与碳质载体的碳之间的π-π相互作用。由于非共价键，因此在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的氨基或胺基位于远离碳质载体的位置。
氨基或胺基可以具有式-L-N(R1)(R2)，其中，R1和R2可以均独立地为氢、C1-C10烷基或C6-C10芳基，L可以仅表示化学键或者表示C2-C10亚烷基或C6-C10亚芳基。例如，氨基或胺基可以是-NH2、-NH(CH3)或-(CH2)n-NH2(其中，n是1至10的整数)。
在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物是从在其端部具有氨基或胺基的萘化合物、在其端部具有氨基或胺基的菲化合物、在其端部具有氨基或胺基的芘化合物和在其端部具有氨基或胺基的蒽化合物中选择的至少一种。
更详细地说，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物可以是：由下面的式1表示的化合物；由下面的式2表示的化合物；包括从-NH2和-(CH2)nNH2(其中，n是1至10的整数)中选择的至少一个氨基或胺基的蒽化合物；包括从-NH2和-(CH2)nNH2(其中，n是1至10的整数)中选择的至少一个氨基或胺基的菲化合物；包括从-NH2和-(CH2)nNH2(其中，n是1至10的整数)中选择的至少一个氨基或胺基的并四苯化合物；包括从-NH2和-(CH2)nNH2(其中，n是1至10的整数)中选择的至少一个氨基或胺基的并五苯化合物；或者包括从-NH2和-(CH2)nNH2(其中，n是1至10的整数)中选择的至少一个氨基或胺基的苯并[9,10]菲化合物。
式1
式2
在式2中，n是1至10的整数。
在一个实施例中，基于100重量份的碳质载体，在当前电极催化剂中使用的在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的量为大约0.1重量份至大约50重量份。
在一个实施例中，基于100重量份的电极催化剂，非共价地结合到碳质载体的表面上的在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的碳质载体的量可以为大约20重量份至大约80重量份。
当在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的量和碳质载体的量在上面所描述的范围内时，包含它们的电极催化剂的耐久性和活性是优异的。
图1示出了根据当前实施例的电极催化剂中，碳质载体与在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香族化合物之间的相互作用，其中，该化合物非共价地结合到碳质载体的表面。
碳质载体的碳与在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的一个或更多个芳香碳环进行π-π堆叠相互作用。在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物中的氨基或胺基的氮具有未共用电子对，所述未共用电子对提供用于结合到诸如铂的金属催化剂的位点。
如上所述，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物是非共价地结合到碳质载体的化合物，因此不改变或劣化碳质载体的结构和性质。因此，金属催化剂可以均匀地分散在碳质载体上而不存在金属催化剂的聚集，从而保持电极催化剂的稳定性。这样，可以防止由因在燃料电池的运行期间发生的金属催化剂聚集和电化学碳腐蚀而导致的催化剂劣化所引起的问题。因此，电极催化剂可以在碳质载体的性质未劣化的情况下以非共价方式被功能化，从而控制电极催化剂的表面性质，提高电极催化剂的耐久性和电化学活性。通过拉曼分析和X射线衍射(XRD)分析，可以观察到在氨基或胺基多环芳香烃化合物非共价地结合到碳质载体之后碳质载体的性质不变的事实。
碳质载体是一种由高结晶碳(诸如炭黑、热处理的炭黑、热处理的乙炔黑、活性炭、石墨、高纯石墨、碳纳米纤维、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米笼、碳纳米角、碳气凝胶、碳纳米环、介孔碳、有序介孔碳、石墨烯或它们的组合)形成的材料，但碳质载体不限于此，碳质载体可以单独使用或作为它们中的两种或更多种的混合物而使用。
碳质载体可包括具有介孔的有序介孔碳。这种材料中的介孔的平均直径可以为大约6nm至大约10nm。可以通过利用介孔氧化硅模板(例如，MSU-H等)来制备有序介孔碳。有序介孔碳具有宽泛的比表面积，因此当使用有序介孔碳作为碳质载体时，负载的金属催化剂的重量可以大于碳质载体的重量。
在电极催化剂中，金属催化剂的平均颗粒直径可以为大约1nm至大约20nm，例如，大约3nm至大约10nm。当金属催化剂的平均颗粒直径在上面描述的范围内时，可以保持优异的氧还原活性和电化学比表面积。
在这方面，当电极催化剂的金属催化剂的平均直径在以上范围内时，包括金属催化剂的催化剂的活性是优异的。
基于100重量份的电极催化剂的总重量(金属催化剂的重量+碳质载体的重量)，金属催化剂的量可以为大约20重量份至大约80重量份，例如，大约30重量份至大约60重量份。在电极催化剂中，当金属催化剂的量在上面描述的范围内时，催化剂可具有优异的比表面积，并可以具有负载在其中的大量金属，因此催化剂的活性是优异的。
金属催化剂可以是从由铂(Pt)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锶(Sr)、钛(Ti)、铬(Cr)和它们的组合组成的组中选择的至少一种。例如，金属催化剂可以是Pt或Pt-Co合金。
根据本公开的实施例的电极催化剂可包括Pt和碳质载体，碳质载体包括结晶碳。电极催化剂可以用于制造用于车辆的燃料电池的电极。
电极催化剂具有经历电化学反应的各种气体和/或液体可以在其上接触的非常大的比表面积。电极催化剂的电化学比表面积可以为70m2/g或更大，例如，在大约70m2/g至大约100m2/g的范围内，但电化学比表面积不限于此。
在通过利用波长为大约514.5nm的激光的拉曼光谱法得到的光谱中，当前碳质载体的在大约1340cm-1至大约1360cm-1处的D带的最大峰强度与在大约1575cm-1至大约1600cm-1处的G带的最大峰强度的比可以为大约0.1至大约1.5，例如，可以为大约0.3至大约1.0。
在碳质载体的XRD光谱中，在26.4±0.1°的布拉格(Bragg)2θ角处观察到关于(002)面的峰。
当碳质载体的ID/IG或关于(002)面的峰的半宽度在上面所描述的范围内时，碳的表面结构和电化学性质不变。
在下文中，将更加详细地描述根据本公开的实施例的制造用于燃料电池的电极催化剂的方法。
将在其端部具有氨基或胺基的C6-C30芳香烃化合物与溶剂混合，然后在其中加入碳质载体，以得到碳质载体混合物。
使用从甲醇、乙醇、水、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中选择的至少一种作为溶剂。
碳质载体通过热处理工艺可以提高碳的结晶度并且形成稳定的石墨层。在这方面，可以在惰性气体气氛中在大约1400℃至大约3000℃的温度下执行热处理工艺。
可以根据不同的热处理温度来执行热处理工艺，例如，以多个阶段来执行。当以多个阶段执行热处理工艺时，可以得到具有高结晶度的碳。
当在1400℃或更高但不高于2000℃的温度下执行热处理时，可以按照如下描述的四个阶段来执行碳质载体的热处理：
阶段1：以大约3℃/分钟至大约7℃/分钟的加热速率将温度调整到大约900℃至大约1100℃；
阶段2：在大约900℃至大约1100℃的温度下保持大约5分钟至大约30分钟；
阶段3：以大约2℃/分钟至大约5℃/分钟的加热速率将温度从大约900℃至大约1100℃调整到大约1400℃(或者，1500℃)至大约2000℃；以及
阶段4：在大约1400℃(或者，1500℃)至大约2000℃的温度下保持10分钟至60分钟。
当在大约2000℃至大约3000℃的温度下执行热处理时，可以按照如下描述的六个阶段来执行碳质载体的热处理：
阶段1：以大约3℃/分钟至大约7℃/分钟的加热速率将温度调整到大约900℃至大约1100℃；
阶段2：在大约900℃至大约1100℃的温度下保持大约5分钟至大约30分钟；
阶段3：以大约2℃/分钟至大约5℃/分钟的加热速率将温度从大约900℃至大约1100℃调整到大约1800℃至大约2000℃；
阶段4：在大约1800℃至大约2000℃的温度下保持大约10分钟至大约30分钟；
阶段5：以大约1℃/分钟至大约3℃/分钟的加热速率将温度调整到大约2000℃至大约3000℃；
阶段6：在大约2000℃至大约3000℃的温度下保持大约10分钟至大约60分钟。
如上所述，可以在不同的阶段对碳质载体进行热处理，并且使碳质载体经过稳定化-碳化-石墨化-高结晶化工艺，以得到具有稳定的和高结晶性的结构的碳质载体。
当使用包括通过热处理工艺得到的高结晶性碳的碳质载体时，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的一个或更多个苯环与疏水的碳质载体的碳之间的π-π相互作用提高了碳质载体的亲水性，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的氨基或胺基的氮的未共用的电子对也提高了碳质载体的亲水性，从而可以改善具有诸如铂的金属的催化剂的负载。
在通过利用波长为大约514.5nm的激光的拉曼光谱法得到的光谱中，当前碳质载体的在大约1340cm-1至大约1360cm-1处的D带的最大峰强度与在大约1575cm-1至大约1600cm-1处的G带的最大峰强度的比(ID/IG)可以为大约0.1至大约1.5，例如，可以为大约0.3至大约1.0。根据热处理工艺，通过防止碳腐蚀，可以制造具有大约50m2/g至大约800m2/g的比表面积的碳质载体和具有改善的耐久性的电极催化剂。
对于通过在碳质载体中负载金属催化剂来制造催化剂的工艺，可以使用本领域通常使用的任何方法。
所述电极催化剂可以应用于用于移动和家庭用途的燃料电池，诸如用于笔记本电脑、便携式装置、车辆和公共汽车的燃料电池。
例如，当通过利用当前的电极催化剂形成电极催化剂层时，可以利用电极催化剂层来制造聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)。
根据本公开的另一实施例，提供了包括所述电极催化剂的燃料电池用电极。
在下文中，将更加详细地描述包括所述电极催化剂的燃料电池。
燃料电池包括阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质膜，其中，阴极和阳极中的至少一个包括所述电极催化剂。
例如，阴极包括根据实施例的电极催化剂。
通过利用当前的催化剂载体或催化剂，尽管即使在长时间段的驱动期间或在高温条件下驱动时使用燃料电池，在燃料电池中仍保持了电极催化剂的活性。
燃料电池可以是例如PEMFC或DMFC。
图2是示出燃料电池的实施例的分解透视图，图3是图2的燃料电池中的膜电极组件(MEA)的示意性剖视图。
图2中示意性示出的燃料电池1包括设置在一对夹持件12与12'之间的两个单元电池11和11'。单元电池11和11'包括膜电极组件(MEA)10与双极板20和20'，双极板20和20'中的每个设置在MEA 10的宽度方向上的各侧上。双极板20和双极板20'由具有导电性的金属或碳等形成，双极板20和20'中的每个与MEA 10结合，从而在将氧和燃料供应到MEA 10的催化剂层的同时起到集流器的作用。
同时，在图2中示出的燃料电池1具有两个单元电池11和11'；然而，单元电池的数量不限于两个，并且可以根据燃料电池所需要的性质增加至数十个或数百个。
如图3中所示，MEA 10可以包括电解质膜100，催化剂层110和110'可设置在电解质膜100的宽度方向上的各侧上，MEA 10可包括：催化剂层110和110'，包括根据本公开的实施例的电极催化剂；第一气体扩散层121和121'，分别设置在催化剂层110和110'上；以及第二气体扩散层120和120'，分别设置在第一气体扩散层121和121'上。
催化剂层110和110'用作燃料电极和氧电极，催化剂层110和110'中的每个包括催化剂和粘合剂，并且还可以包括可提高催化剂的电化学表面积的材料。催化剂层包括根据本公开的实施例的电极催化剂。
第一气体扩散层121和121'以及第二气体扩散层120和120'均可以由碳片、碳纸等形成，并将通过双极板20和20'所提供的氧和燃料扩散至催化剂层110和110'的整个表面。
包括MEA 10的燃料电池1在大约100℃至大约300℃的温度下运行。诸如氢的燃料通过双极板20、20'供给到两个催化剂层中的一个，诸如氧的氧化剂通过另一个双极板20、20'供给到另一个催化剂层。另外，对于一个催化剂层，因氢的氧化而产生氢离子(H+)，氢离子(H+)通过电解质膜传导以到达另一催化剂层。对于另一个催化剂层，氢离子(H+)和氧一起进行电化学反应，以产生水(H2O)和电能。另外，作为燃料提供的氢可以是通过烃或醇的重整而产生的氢，作为氧化剂提供的氧可以提供为包括在空气气氛中。
在下文中，将详细描述本公开的实施例，但实施例不限于此。
示例1：制造电极催化剂和电极
按照下面描述的阶段在惰性气体气氛中热处理科琴黑(产品名称：ECP，日本东京的三菱化学(Mistubishi Chemical)制造)。
阶段1：以5.4℃/分钟的加热速率将温度调整至1000℃；
阶段2：在1000℃的温度下保持10分钟；
阶段3：以3℃/分钟的加热速率将温度调整至1900℃；
阶段4：在1900℃的温度下保持10分钟；
阶段5：以1.7℃/分钟的加热速率将温度调整至2250℃；以及
阶段6：在2250℃的温度下保持60分钟。
将根据上述阶段的热处理的科琴黑2.0g分散在250mL去离子水/乙醇(95/5，v/v)中，以制备分散体。将由式1表示的化合物0.2g加到分散体中，然后将混合物搅拌6小时。此过程得到：基于100重量份的科琴黑，由式1表示的化合物的量为大约10重量份。
式1
然后，将所得的产物进行真空过滤，依次用蒸馏水、甲醇和丙酮进行洗涤，然后真空干燥24小时，以制备碳质载体。
将25mL六水合氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)和2.5g碳质载体添加到乙二醇与去离子水的混合溶剂，然后将所得物搅拌以制备分散体。在此，乙二醇的量为580mL，去离子水的量为750mL。
使用NaOH溶液将该分散体的pH调整至大约11。在30分钟内将所得物热处理至60℃的温度。在30分钟内将所得的混合物热处理至140℃的温度，并在140℃的温度下保持4小时。在混合物的反应完成之后，将反应混合物过滤，然后用超纯水清洗。接着，在120℃的温度下将所得物真空干燥为负载Pt的催化剂(Pt的量：44.8wt％)。
将负载Pt的催化剂(Pt的量：44.8wt％)0.03g、浓度为0.5wt％的Nafion(Dupont，Wilmington，Delaware)溶液(通过用蒸馏水将5wt％Nafion、45wt％1-丙醇和50wt％2-丙醇的混合溶液稀释10倍所制备的溶液)500mL以及异丙醇4500mL进行混合，以制备催化剂组合物。将混合物超声处理20分钟，然后经历传统的搅拌工艺达1分钟。
将6μl催化剂组合物散布在直径为0.5cm的玻璃碳电极负载体上，然后在室温下干燥5分钟，以制备干燥的产物。然后，将7μl 0.05wt％的Nafion溶液(溶剂：异丙醇)以逐滴方式加到干燥的产物上，然后在室温下干燥10分钟，以制备电极。结果，负载的催化剂的量以85μg/cm2存在。
示例2：制备电极催化剂和电极
除了将由式1表示的化合物的量变为0.4g之外，以与示例1中的方式相同的方式制备电极催化剂和电极。此过程得到：基于100重量份的科琴黑，由式1表示的化合物的量为大约20重量份。
示例3：制备电极催化剂和电极
除了将由式1表示的化合物的量变为1.0g之外，以与示例1中的方式相同的方式制备电极催化剂和电极。在这方面，基于100重量份的科琴黑，由式1表示的化合物的量为大约50重量份。
对比示例1：制备电极催化剂和电极
除了使用在2250℃的温度下将科琴黑(ECP 300J，由三菱化学制造)热处理1小时得到的产物作为碳质载体之外，执行与示例1中的工艺相同的工艺。
对比示例2：制备电极催化剂和电极
除了使用由式3表示的化合物来代替由式1表示的化合物之外，执行与示例1中的工艺相同的工艺。
式3
评价示例1：透射电子显微镜(TEM)分析
通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM/SAED)/选区电子衍射(SAED)来分析根据示例1制备的电极催化剂，由此得到的结果示出在图4至图6中。
图4至图6示出了在示例1中制备的电极催化剂具有完全地分散在碳载体上的Pt。另外，通过SAED观察到与结晶碳的C(002)面以及Pt的fcc晶格的Pt(111)面、Pt(200)面、Pt(220)面和Pt(311)面对应的一系列同心环。
评价示例2：X射线衍射(XRD)分析
对在示例1和对比示例1中制造的电极催化剂执行X射线衍射(XRD)分析(MP-XRD，Xpert PRO，Philips/功率3Kw)，由此得到的结果示出在图7、图8和表1中。
在下面的表1中，LC表示晶畴尺寸，d(002)表示晶面间距。
表1
由表1及图7和图8可以推断出，在示例1中制备的碳质电极催化剂的Pt颗粒具有完全分散在高结晶性碳载体上的面心立方晶格(fcc)。
评价示例3：拉曼光谱分析
对于用于制造在示例1和示例2以及对比示例1中制备的电极催化剂的碳质载体，通过利用波长为514.5nm的激光的拉曼光谱仪(JASCO Inc.(Oklahoma City，Oklahoma)的产品)来测量在大约1575cm-1至大约1600cm-1处的G带的最大峰强度和在大约1340cm-1至大约1360cm-1处的D带的最大峰强度。由此得到的结果示出在图9中。
另外，计算在大约1340cm-1至大约1360cm-1处的D带的最大峰强度与在大约1575cm-1至大约1600cm-1处的G带的最大峰强度的比率。将由此得到的结果示出在表2中。
在下面的表2中，IG表示在大约1575cm-1至大约1600cm-1处的G带的最大峰强度，ID表示在大约1340cm-1至大约1360cm-1处的D带的最大峰强度。
FWHM表示G带峰的半宽度。
表2
FWHM(°) ID/IG ID/I(D+G)
示例1 56.6 0.83 0.49
示例2 56.4 0.84 0.48
对比示例1 55.4 0.81 0.48
参照表2和图9，在示例1和示例2中制备的碳质载体和电极催化剂与在对比示例1中制备的碳质载体和电极催化剂具有相似的结晶度，并且在示例1和示例2中制备的碳质载体和电极催化剂保持了重整状态(reformedstate)而高结晶性的碳质载体的性质未劣化。
评价示例4：测量电极的电化学活性表面积(ECSA)
将分别根据示例1以及对比示例1和对比示例2制备的催化剂0.03g、浓度为0.5wt％的Nafion溶液(通过用蒸馏水将5wt％Nafion、45wt％1-丙醇和50wt％2-丙醇的混合溶液稀释10倍所制备的溶液)500mL以及异丙醇4500mL进行混合，以制备催化剂组合物。将混合物超声处理20分钟，然后进行传统的搅拌工艺达1分钟。
将6μl催化剂组合物散布在直径为0.5cm的玻璃碳电极负载体上，然后在室温下干燥5分钟，以制备干燥的产物。然后，将7μl 0.05wt％的Nafion溶液(溶剂：异丙醇)加到干燥的产物上，然后在室温下干燥10分钟，以制备电极。在这方面，负载的催化剂的量为大约85μg/cm2。
对根据以上描述的工艺制备的电极进行加速寿命测试。通过利用上面制备的电极、作为标准电极的Ag/AgCl，在25℃的温度下，在0.1M HClO4水溶液中以及基于标准氢电势在大约0.6V至大约1.4V之间的电压，来重复1000次循环的循环伏安法(CV)以执行加速寿命测试。
如上所述，在20mV/秒的扫描速率下每100次循环执行加速寿命测试。使用下面的等式1来计算电化学表面积的减少率，然后标准化。由此得到的结果示出在图10中。
等式1
电化学表面积的减少率＝计算的表面积/初始表面积
参照图10，可以推断出，与在对比示例1和对比示例2中制备的用于燃料电池的电极催化剂相比，在示例1中制备的用于燃料电池的电极催化剂显示出更小的ECSA损失。因此，可以推断出，在示例1中制备的用于燃料电池的电极催化剂的劣化程度小于在对比示例1和对比示例2中制备的用于燃料电池的电极催化剂的劣化程度。
应当理解的是，这里描述的示例性实施例应当仅以描述性的意思来考虑，并非出于限制的目的。每个实施例中的特征或方面的描述通常应当被视为可用于其它实施例中的其它相似特征或方面。

Claims (13)

1.一种用于燃料电池的电极催化剂，所述电极催化剂包括碳质载体和负载在碳质载体中的催化剂金属，
其中，在碳质载体的表面上，碳质载体非共价地结合到在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，氨基或胺基是-L-N(R1)(R2)，R1和R2均独立地为氢、C1-C10烷基或C6-C10芳基，L表示化学键，或者表示C2-C10亚烷基或C6-C10亚芳基。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物是从在其端部具有氨基或胺基的萘化合物、在其端部具有氨基或胺基的菲化合物、在其端部具有氨基或胺基的芘化合物和在其端部具有氨基或胺基的蒽化合物中选择的至少一种。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物是：由下面的式1表示的化合物；由下面的式2表示的化合物；包括从由-NH2和-(CH2)nNH2组成的组中选择的至少一个氨基或胺基的蒽化合物，其中，n是1至10的整数；包括从由-NH2和-(CH2)nNH2组成的组中选择的至少一个氨基或胺基的菲化合物，其中，n是1至10的整数；包括从由-NH2和-(CH2)nNH2组成的组中选择的至少一个氨基或胺基的并四苯化合物，其中，n是1至10的整数；包括从由-NH2和-(CH2)nNH2组成的组中选择的至少一个氨基或胺基的并五苯化合物，其中，n是1至10的整数；或者包括从由-NH2和-(CH2)nNH2组成的组中选择的至少一个氨基或胺基的苯并[9,10]菲化合物，其中，n是1至10的整数：
式1
式2
在式2中，n是1至10的整数。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，基于100重量份的碳质载体，在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的量为0.1重量份至50重量份。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，碳质载体是炭黑、热处理的炭黑、热处理的乙炔黑、活性炭、石墨、高纯石墨、碳纳米纤维、碳纤维、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米笼、碳纳米角、碳气凝胶、碳纳米环、介孔碳、有序介孔碳、石墨烯或它们的组合。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，基于100重量份的电极催化剂的总重量，非共价地结合到碳质载体表面上的在其端部具有氨基或胺基的C6-C30多环芳香烃化合物的碳质载体的量为20重量份至80重量份。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，通过利用波长为514.5nm的激光的拉曼光谱法所获得的在1340cm-1至1360cm-1处的D带的最大峰强度与在1575cm-1至1600cm-1处的G带的最大峰强度的比为0.1至1.5。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，在碳质载体的XRD光谱中，在26.4±0.1°的布拉格2θ角处观察到关于(002)面的峰。
10.根据权利要求1所述的用于燃料电池的电极催化剂，其中，催化剂金属是从由铂、铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱、铜、银、金、锶、钛、铬和它们的组合组成的组中选择的至少一种。
11.一种用于燃料电池的电极，所述电极包括根据权利要求1-10中的任一项所述的电极催化剂。
12.根据权利要求11所述的用于燃料电池的电极，其中，所述电极是阴极。
13.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
阴极，
阳极，设置为与阴极相对，以及
电解质膜，设置在阴极与阳极之间，其中，阴极和阳极中的至少一个包括根据权利要求1-10中的任一项所述的电极催化剂。
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