[發明專利]一種納米鉑催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 201611158344.0
• 申請日: 2016-12-14
• 公開（公告）號: CN108232207B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 曾蓉;李治應;蔣利軍;劉曉鵬
• 申請（專利權）人: 有研工程技術研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;B82Y30/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青;熊國裕

本發明公開了一種納米鉑催化劑的制備方法。該方法包括如下步驟：(1)將無機納米線、無機配合物納米線或納米碳在表面活性劑作用下分散在水或無水乙醇中，作為模板；(2)將金屬鉑鹽溶解于水中；(3)將步驟(1)和步驟(2)得到的兩種溶液混合，然后倒入無水的醇溶液中，攪拌均勻，將所得混合溶液升溫至設定溫度，反應完全后冷卻至室溫，用水清洗，干燥后得到產物。本發明在無需添加其它還原劑的情況下，通過納米線或納米顆粒為模板，利用金屬鉑鹽在醇、水中溶解度的不同，在一定溫度下，使金屬鉑鹽在納米線或納米顆粒表面限域還原為金屬鉑，形成分散均勻、尺寸分布窄的鉑納米線或鉑納米顆粒，產物清洗簡單。

技術領域

本發明涉及一種納米鉑催化劑的制備方法，屬于燃料電池納米電催化劑制備技術領域。

背景技術

燃料電池是一種將化學能直接轉換為電能的裝置，其核心是采用催化劑催化氧還原與氫氧化或醇氧化、甲酸氧化等。

燃料電池正面臨商業化的起步階段，影響燃料電池商業化的一個重要問題是所用催化劑為貴金屬鉑，這極大地增加了燃料電池的成本，同時，由于鉑的稀缺性，使燃料電池的大規模應用受到限制。已有研究表明，在燃料電池的應用中，Pt/C催化劑中2-3納米鉑顆粒易于在電化學的反應過程中因為電位的變化氧化為離子，又還原為金屬，這使得鉑重新沉積從而使鉑顆粒長大，或者從碳載體上脫落，這些均會降低催化劑的使用壽命，同時碳載體也會被腐蝕(Z.Zhao et al.J.Power Sources，230，2013，236-243；J.C.Meier，ACSCatal.，2，2012，832-843；Z.Zhao，J.Power Sources，217，2012，449-458；K.L.Morea，ECSTransactions，3(1)，2006，717-733)。針對這些問題，大量的研究集中在如何提高催化劑鉑的利用率，降低催化劑鉑的用量以及提高催化劑的穩定性和使用壽命，不同形貌的Pt及PtM合金催化劑是其中重要的方面。美國能源部確定的2015年汽車用質子交換膜燃料電池的鉑用量目標值為0.15mg/cm²。孫世剛研究小組通過電壓方波電沉積的方法，獲得了高晶面指數{730}、{210}和/或{520}的鉑24面體，這些具有高晶面指數的24面體具有很好的熱(800℃)和化學穩定性，其對甲酸氧化活性最高提高約4倍，對乙醇氧化的活性最高提高約4.5倍(N.Tian，Z.Y Zhou，S.G.Sun，etc.Science，316，2007，732-735)。美國Argonne實驗室2014年報道的Pt₃Ni納米框架結構催化劑，RDE測試結果表明其質量比活性及面積比活性分別是商用Pt/C催化劑的22倍及35倍(C.Chen，Y.J.Kang，et al.Science 343，2014，1339-1343)。由Pt₃Ni納米框架結構催化劑制備的膜電極的性能雖然優于Pt/C催化劑，然而在膜電極中，其質量比活性及面積比活性并沒有達到商用Pt/C催化劑的22倍及35倍。3M公司納米結構薄膜(nanostructured thin film，NSTF)催化劑是一類特殊的催化劑，為有序排列的納米線Pt或PtM(M主要為Fe、Co、Ni，或CoMn、CoNi、NiFe、CoZr等)，其PtCoMn-NSTF已達到美國能源部2015年鉑載量及壽命要求，催化劑鉑用量降至0.15mg/cm²，0.19g/kW(DOE Hydrogen andFuel Cells Program Record-Platinum Group Metal Loading in PEMFC Stack-Record#11013.2/6/2011)。

另一方面，納米催化劑的批量制備技術也是制約其應用和發展的重要因素。3M公司采用方法為在有序化的有機納米線上沉積金屬顆粒，從而形成有序化的Pt、Pt合金納米線。University of Rochester采用靜電紡絲的方法制備Pt和Pt合金納米線，其Pt納米線的直徑大約是5-6納米，PtFe、PtNi合金納米線直徑大約10-20納米。

發明內容

本發明的目的在于提出一種納米鉑催化劑的制備方法，以獲得分散均勻、尺寸分布窄的鉑納米線或納米顆粒。