[發明專利]一種碳負載貴金屬-過渡金屬氧化物復合電催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911383644.2
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111146453B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 宋玉江;邱晨曦
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;B01J23/63;B01J35/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;趙淑梅

本發明涉及一種碳負載貴金屬?過渡金屬氧化物復合電催化劑及其制備方法和應用，屬于質子交換膜燃料電池領域。本發明所述制備方法包括如下步驟：1)向氨基轉移劑的乙醇溶液中依次加入貴金屬鹽溶液和過渡金屬鹽溶液，靜置后加入烴類溶劑，澄清后再加水稀釋，25?80℃下使其發生相轉移，在攪拌下加入還原劑，反應3?5分鐘，除去水相后加入碳載體，超聲，固液分離；2)將步驟1)所得固體在酸溶液中酸洗，固液分離，在空氣氣氛下150?400℃熱處理30?180min，干燥。本發明通過相轉移法制備得到碳負載貴金屬?過渡金屬氧化物電催化劑，該方法可以在常溫下快速得到分散均勻且粒徑均一的碳載金屬納米顆粒。

技術領域

本發明涉及一種碳負載貴金屬-過渡金屬氧化物復合電催化劑及其制備方法和應用，屬于質子交換膜燃料電池領域。

背景技術

如今廣泛使用的化石燃料正面臨污染嚴重、效率低以及原材料短缺等問題，而質子交換膜燃料電池作為一種清潔能源技術，它實際上是一種能將燃料中的化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置，具有高能量密度、高效率、環境友好等優點，已受到世界各國的高度重視。與陽極氫氧化反應相比，陰極氧還原反應動力學是限制燃料電池能量轉化效率、成本和穩定性的主要因素之一。貴金屬-過渡金屬氧化物之間的強烈的相互作用可以有效提高催化劑的活性，同時提高其在耐久性，尤其是在高電位下。因此研究貴金屬-過渡金屬氧化物電催化劑的研究就變得很有意義和價值。

貴金屬-過渡金屬氧化物復合催化劑在傳統化工領域已經有了很廣泛的研究和應用，但很少用于電催化反應，尤其是對于氧還原反應。同時傳統的制備方法不利于得到均一的顆粒分布，也難以使貴金屬顆粒和過渡金屬氧化物顆粒充分接觸。

2017年，Feng Xu等人(Feng Xu,et al.Internation Journal ofHydrogenEnerger,2017,42,13011-13019)在水熱釜中加入氯鉑酸、硝酸鈰以及氫氧化鈉溶液，130℃反應3h，通過一步法合成了粒徑在3nm的Pt-CeO₂/C電催化劑，其氧還原反應活性要顯著優于商業Pt/C催化劑，同時10000圈動電位掃描后的ECSA的衰減與商業Pt/C 2000圈掃描后的衰減相同。

2018年，Chen Du等人(Chen Du,et al.Electrochemica Acta,2018,10,348-356)將鈰與均苯三甲酸配位制備得到Ce-MOF，然后熱解，在熱解后的樣品表面原位沉積Pt，最終得到Pt-CeO₂/C電催化劑。氧還原反應活性測試結果表明，Pt-CeO₂/C電催化劑擁有優于商業Pt/C的催化活性，同時由于CeO₂對Pt顆粒的錨定作用，催化劑的耐久性也得到了明顯提升。

上述的研究雖然都得到了貴金屬-過渡金屬氧化物復合電催化劑，但得到的顆粒尺寸不夠均一，在電化學測試過程中易發生奧斯瓦爾德熟化造成活性降低，同時材料中貴金屬與過渡金屬氧化物顆粒分散不均勻，導致二者顆粒間作用不足，同時電催化劑的活性和耐久性還有待于進一步提高。

發明內容

本發明通過相轉移法將溶于水相的金屬離子轉移到有機相中，更有利于控制其生長得到顆粒的尺寸，加入還原劑還原即可得到分散均勻的碳負載貴金屬與過渡金屬氧化物復合催化劑，具有相當高的氧還原反應催化活性，在堿性條件下質量比活性可以達到商業的Pt/C催化劑的3.8倍，解決了上述的問題。