[發(fā)明專利]有機體系中電沉積制備的Pt-M金屬合金催化劑

有效

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• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN110021758B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 章俊良;李凡;沈水云;范月恒;趙路甜;郭楊格
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M12/08;B82Y30/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發(fā)明公開了一種有機體系中電沉積制備的Pt?M金屬合金催化劑；所述催化劑導電性載體為碳基的；在有機溶劑中，Pt?M金屬共沉積制備而成的Pt?M金屬合金納米顆粒，并以物理負載的方式均勻分散于載體表面。制備過程中，將Pt源前驅體和M源前驅體溶于有機溶劑，混合溶液中金屬前驅體的體積摩爾濃度均為1～20mmol/L。另外，惰性氣氛保護下排除溶液中的氧氣，進行后續(xù)的不同沉積電位下沉積，并進行循環(huán)伏安電化學清洗。通過本發(fā)明的方案，可達到所制備的Pt?M金屬合金納米顆粒催化劑的鉑載量的進一步降低和催化活性的增強，貴金屬綜合利用效率的極大提高，并且使之氧還原活性提高，降低貴金屬催化劑的綜合成本等目標。

技術領域

本發(fā)明涉及納米材料，電化學技術以及燃料電池催化劑領域，具體涉及一種有機體系中電沉積制備的Pt-M金屬合金催化劑及其制備方法。

背景技術

由于能量轉換效率高，無環(huán)境污染，噪音低，可靠性好等特點，燃料電池已經發(fā)展為一種潛力很大的新能源技術。然而，燃料電池技術在汽車、分布式發(fā)電和便攜式電子領域的大規(guī)模應用仍具有諸多阻礙，其中陰極催化劑的高成本問題即是最主要的挑戰(zhàn)。雖然非鉑催化劑在成本上具有極大優(yōu)勢，但其催化活性和穩(wěn)定性與鉑基催化劑相比現(xiàn)今仍有相當?shù)木嚯x。就目前狀況來看，開發(fā)新型低鉑高性能催化劑仍是實現(xiàn)質子交換膜燃料電池(PEMFCs)商業(yè)化的必由之路。

氫能具有高燃燒熱值(約為汽油3倍)，廣泛的制取途徑，應用前景非常廣泛；更重要的是，其最終產物僅為水，是零污染的真正清潔能源。質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)，通過電化學途徑能夠將氫氣中的化學能直接轉變?yōu)殡娔埽蚁噍^于其它類型燃料電池，具有工作溫度低、啟動快等優(yōu)勢，是電動汽車動力裝置的最理想選擇。然而，PEMFC陰極的氧還原反應(Oxygen Reduction Reaction，ORR)動力學緩慢，過電勢很大，需要使用Pt貴金屬做電催化劑從而加速其反應。降低PEMFC陰極電催化劑的Pt用量的主要途徑包括開發(fā)新型、高活性的Pt-M(主要為過渡金屬)合金催化劑、Pt基核殼結構催化劑以及非Pt催化劑。

然而，傳統(tǒng)化學合成受制于合成手段單一，對于組分及形貌的控制方法有限，極大地限制了陰極貴金屬催化劑的進一步突破。而電化學合成方法克服了上述傳統(tǒng)化學合成法的局限性，在可控性方面具有極高的優(yōu)勢，且一直以來采用電化學方法在有機電解液體系中制備形貌可控的Pt-M合金催化劑的研究鮮有報道，具有相當?shù)陌l(fā)展前景。電化學合成的可控性體現(xiàn)在可簡單通過電極電位(或電流密度)改變來調控顆粒的成核和生長，誘導高指數(shù)晶面的生長，從而控制納米合金顆粒形貌。傳統(tǒng)的電化學合成廣泛應用于水體系中，而有機電解液體系由于具有更寬的電化學窗口從而更容易實現(xiàn)電極電位比較負的金屬(如Fe、Co、Ni)的沉積。因此，選擇合適的有機電解液體系可有效縮小不同金屬電極電位的差別，更有利于制備合金催化劑結合電化學方法，在有機體系中，可以獲得相比傳統(tǒng)化學合成法更高的可控性優(yōu)勢，更利于合成出大小均一、具有特定形貌的高ORR活性Pt合金催化劑。

為滿足質子交換膜燃料電池商業(yè)化需求，我們必須進一步降低陰極氧還原的Pt用量并提高其耐久性。本發(fā)明涉及的基于4d、5d結構過渡金屬的一種有機體系中電沉積制備Pt-金屬合金催化劑及其制備的方法，表現(xiàn)了出優(yōu)異的氧還原電催化活性，能有效用于加快質子交換膜燃料電池的商業(yè)化。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供了一種有機體系中電沉積制備的Pt-M金屬合金催化劑及其制備方法。本發(fā)明的催化劑具有極高的氧還原活性，在酸性條件下?lián)碛袃?yōu)異的電化學穩(wěn)定性并且貴金屬綜合利用率較高。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：