[發(fā)明專利]一種鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑及其制備方法

有效

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• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN110783584B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 李箐;梁嘉順;王譚源
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/86;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明屬于燃料電池陰極材料領域，并具體公開了一種鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑及其制備方法，包括如下步驟：S1將鉑鹽溶液和還原劑溶液混合得到混合液，該混合液中的鉑鹽和還原劑反應得到鉑納米粒子，將鉑納米粒子從混合液中分離出來；S2在鉑納米粒子表面包覆金屬氧化物得到鉑和金屬氧化物復合物，對該鉑和金屬氧化物復合物進行退火處理，得到鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑。本發(fā)明的鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑用于加快燃料電池陰極氧還原反應速率，該催化劑具有良好的活性和耐久性，且合成工藝簡單，可以有效調控納米粒子的尺寸，易于批量生產。

技術領域

本發(fā)明屬于燃料電池陰極材料領域，更具體地，涉及一種鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑及其制備方法，特別是一種用于加快燃料電池陰極氧還原反應速率的鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑及其制備方法。

背景技術

目前，隨著社會的快速發(fā)展，人類對能源的需求日益擴大，與此同時，煤炭、石油、天然氣等化石能源的逐漸消耗和環(huán)境污染問題的亟待解決，開發(fā)綠色無污染的能源已是各國的關注重點。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)可以通過電化學過程，將儲存在燃料/氧氣中的化學能轉化為電能，由于中間不經過熱機，燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，理論上轉換效率能夠達到100％，同時其產物為無毒無害的水和二氧化碳，為環(huán)境友好型能源。

近些年，燃料電池的研究也得到了各個國家的廣泛關注。但是由于PEMFC陰極的氧還原反應速率遠小于陽極氫氧化反應，需要貴金屬鉑作為催化劑來加快氧還原反應的速率。在目前的研究中，將鉑與過渡金屬合金化能夠有效的提高鉑基催化劑的氧還原催化活性，但是其穩(wěn)定性仍存在問題：即在高溫、高電壓以及酸性條件下，過渡金屬容易發(fā)生溶解，導致催化劑的活性降低。

相對于面心立方結構的無序固溶體鉑基合金催化劑，四方相結構有序型鉑基催化劑(又稱金屬間化合物)中鉑與過渡金屬原子層在c軸方向呈現周期性交替排列，鉑與過渡金屬原子之間5d-3d軌道電子具有較強相互作用，從而極大的提高過渡金屬在酸性環(huán)境下的耐腐蝕能力；而理論計算證明結構有序的鉑基催化劑作為核時相對于無序結構能夠通過壓縮應力調控降低表面鉑與含氧中間體的結合能，從而進一步提高催化劑的氧還原活性。另外，由于納米粒子要經過高溫退火才能完成相變過程，目前這些鉑基金屬間化合物納米晶尺寸相對較大(常見10nm大小)，鉑原子的利用率較低，從而導致活性相對較低，限制了該類型的催化劑的進一步應用。而大量的研究表明，隨著納米粒子尺寸的減小，其電化學活性面積急劇提高，能夠大大提高鉑原子的利用率，從而提高催化劑的活性；目前保護納米粒子尺寸、防止其在高溫退火過程中發(fā)生團聚的有效方法是在納米粒子表面包覆氧化鎂、氧化硅等惰性保護層，但是引入這些保護層需要額外的制備流程，使得整個催化劑的制備工藝較為復雜、麻煩，不利于大批量、工業(yè)化生產。因此，制備設計尺寸可控、制備簡易的鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑，對于推動燃料電池技術的應用十分重要。

發(fā)明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑及其制備方法，其目的在于，通過鉑鹽和還原劑反應得到鉑納米粒子，在鉑納米粒子上包覆金屬氧化物并進行退火處理，得到鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑，該催化劑的活性和耐久性好，且合成工藝簡單，易于批量生產。

為實現上述目的，按照本發(fā)明的一方面，提出了一種鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑制備方法，包括如下步驟：

S1將鉑鹽溶液和還原劑溶液混合得到混合液，該混合液中的鉑鹽和還原劑反應得到鉑納米粒子，將鉑納米粒子從混合液中分離出來；

S2在鉑納米粒子表面包覆金屬氧化物得到鉑和金屬氧化物復合物，對該鉑和金屬氧化物復合物進行退火處理，得到鉑基金屬間納米晶氧還原催化劑。

作為進一步優(yōu)選的，將鉑鹽和還原劑分別溶解在有機胺溶液中得到所述鉑鹽溶液和還原劑溶液。

作為進一步優(yōu)選的，所述鉑鹽為氯鉑酸、乙酰丙酮鉑、氯化鉑中的一種或多種。