[發明專利]一種多元摻雜型的鉑基催化劑及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201911121981.4
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN111224118A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 于力娜;朱云;唐柳;張克金;朱雅男;楊帥
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B82Y30/00
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發明涉及一種多元摻雜型的鉑基催化劑及其制備方法和用途，所述鉑基催化劑的制備方法將離子吸附和極速還原過程相結合，高效迅速地在碳材料表面形成摻雜型的鉑基納米晶，且上述方法具有操作簡單、易于控制、適于工程化大批量生產的優勢；本發明所述方法制備得到的多元摻雜型的鉑基催化劑的ORR活性高，質量活性高達255mA/mg@0.9V；將其制備CCM并組裝單電池，進行測試，其活性面積為50cm²，測試電池溫度75℃、加濕溫度為70℃、相對濕度為60％RH、化學計量比氫氣/空氣＝1.2/2.5的條件下，電流密度可達2500mA/cm²@0.63V、峰值功率密度可達1.6W/cm²。

技術領域

本發明屬于新能源燃料電池領域，具體涉及一種多元摻雜型的鉑基催化劑及其制備方法和用途。

背景技術

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有高能量密度、運行溫度低、穩定性能好、低噪音、無污染等特點，在新能源汽車的動力能源領域有廣泛的應用前景。目前，雖然PEMFC的各項技術已經趨于成熟，正處于大規模商業化應用的前夜，為使PEMFC能夠早日實現商品化，大量研究者正努力致力于相關材料的研究，力圖降低PEMFC成本，提高相關材料的性能。其中包括高性能Pt/C電催化劑的研究。但由于Pt金屬存儲量少、價格昂貴、易毒化等特點，因此開發高活性、高耐久性的低鉑催化劑是當下的研究重點。

目前，燃料電池常用的Pt/C催化劑中，陽極一側Pt載量一般需要0.05-0.1mg/cm²就可以滿足燃料電池的需要，而陰極一側Pt載量則需要0.15-0.30mg/cm²，貴金屬Pt催化劑在燃料電池電堆中所占的成本比例約35％-50％。目前文獻中所報道過的ORR陰極反應催化劑的類型包括純鉑型、鉑合金型、核殼結構型、鈀基底型、金屬氧氮化合物型、金屬氧族化合物型和非貴金屬型。

因此，開發一種具有高催化活性和優異的耐久性能的鉑基催化劑及其制備方法仍具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多元摻雜型的鉑基催化劑及其制備方法和用途，所述鉑基催化劑的制備方法將離子吸附和極速還原過程相結合，高效迅速地在碳材料表面形成摻雜型的鉑基納米晶，且上述方法具有操作簡單、易于控制、適于工程化大批量生產的優勢；本發明所述方法制備得到的多元摻雜型的鉑基催化劑的氧還原(Oxygen ReductiveReaction，ORR)活性高，質量活性高達255mA/mg@0.9V；將其制備CCM并組裝單電池，進行測試，其活性面積為50cm²，測試電池溫度75℃、加濕溫度為70℃、相對濕度為60％RH、化學計量比氫氣/空氣＝1.2/2.5的條件下，電流密度可達2500mA/cm²@0.63V、峰值功率密度可達1.6W/cm²。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種多元摻雜型的鉑基催化劑的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)在惰性氣氛下，向碳材料的分散液中加入鉑源和過渡金屬源，混合，得到混合溶液；

(2)在惰性氣氛下，向步驟(1)得到的混合溶液中加入還原劑，混合；

(3)將步驟(2)的產物進行固液分離、之后洗滌，在惰性氣氛下融合，得到所述鉑基催化劑；

其中，所述還原劑包括硼氫化鈉、鹽酸羥胺或硼氫化鉀中的任意一種或至少兩種的組合，所述組合示例性的包括硼氫化鈉和鹽酸羥胺的組合、硼氫化鉀和硼氫化鈉的組合或鹽酸羥胺和硼氫化鉀的組合等。

優選地，步驟(1)中所述過渡金屬源中包含兩種過渡金屬元素。