[發明專利]一種鉑納米線顆粒催化劑制備方法

有效

• 申請號: 202010871425.5
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111939897B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 隋升;王睿卿
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M4/92
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種鉑納米線顆粒(Pt?NWs)合成方法，包括將鉑的前驅體、導電炭黑粉末、掩蔽劑及還原劑超聲混合制得漿料，置于電解池反應器中，施加電場作用，電壓范圍?0.10V至?0.35V，以此制得尺寸和形貌可控的鉑納米線顆粒。本發明中，通過還原劑種類、濃度等調整與鉑前驅體溶液的化學反應速率，結合在電場作用下強化鉑前驅體離子擴散速率，精確控制鉑納米線顆粒尺寸和形貌。本發明可應用于對鉑納米結構敏感的反應過程，如燃料電池中的氧還原反應(ORR)中，以此制備具有高催化性能的燃料電池陰極鉑基催化劑。本發明的制備方法簡單、高效，綜合了電沉積法和化學還原法制備納米鉑的優勢，保證了鉑顆粒良好的分散度和尺度形貌的精確可控性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種鉑納米線顆粒催化劑。

背景技術

燃料電池是一種將燃料的化學能通過催化作用，直接轉換成電能的發電裝置，常用的燃料有氫氣、甲醇和甲烷等，反應后生成水、二氧化碳等，對環境友好，無污染。燃料電池技術具有能量轉換率高、負荷響應快、運行質量高、綠色環保的特點。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池中的一種，具有結構簡單、容易操作、啟動迅速、工作溫度低、比功率高等優點，在便攜式電源、電動汽車、工作電站方面具有廣闊的應用前景。然而，質子交換膜燃料電池陰極端的氧還原反應(ORR)動力學十分緩慢，需要使用高載量貴金屬納米鉑顆粒作為電極催化劑，以保證PEMFC的高效運行。高載量貴金屬鉑使得PEMFC的成本較高，限制了其大規模商業化應用。為減少鉑的用量，提高鉑基催化劑的催化活性及其穩定性，需要對納米鉑的尺寸、形貌、結構進行精確控制。

納米鉑的制備主要有微乳液法、電沉積法、化學還原法、氣相還原法等方法。其中，微乳液法通過使用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑作用下制得乳液，經過成核、聚結、團聚、熱處理后得到納米粒子，該方法能耗低、粒徑易控，由于表面活性劑的存在，減少粒子間聚結。電沉積法通過在電解液兩端施加電壓，直接使電解液中的鉑離子得到電子被還原成納米鉑，該方法得到的鉑顆粒分布可控，分散度高，但電結晶表面的鉑顆粒容易聚積，導致鉑顆粒尺寸范圍寬。化學還原法通過采用鉑的前驅體溶液，在穩定劑的條件下，加入還原劑制備納米鉑，其反應條件溫和，制得的納米顆粒大小和形狀可控，粒徑分布相對集中，但反應的中間過程相對難以調控。相比于常用的球狀零維鉑顆粒(Pt-NPs)，一維鉑納米線(Pt-NWs)優勢晶面(111)明顯，催化活性高，穩定性高。在以前的中國發明專利CN103280583B中，為了獲得一維鉑納米線(Pt-NWs)，需要長時間(48-72h)Pt原位生長，影響技術應用。

在上述各種制備方法中，既要保證制備鉑納米粒子過程穩定，又要獲得高的鉑催化活性。因此，既達到精確控制納米鉑形貌和尺寸的目的，同時避免制備時間長的不利影響，對納米鉑制備技術的發展至關重要。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，

本發明所要解決的技術問題是結合電沉積法和化學還原法的特點，提供一種簡單、高效的鉑納米線顆粒制備方法，避免穩定劑的使用，達到精確調控鉑納米線顆粒的形貌和尺寸的要求，以制得高催化性能和耐久性的鉑納米線催化劑。離子移動方向取決于兩個因素，離子的擴散以及電場對離子的影響。本發明通過還原劑種類、濃度等調整鉑前驅體溶液的化學反應速率，結合在電場作用下強化鉑前驅體離子擴散速率，精確控制鉑顆粒尺寸和形貌，應用于對鉑納米結構敏感的反應過程，如燃料電池中的氧還原反應(ORR)中，以此制備具有高催化性能的燃料電池陰極鉑納米線(Pt-NWs)催化劑。

本發明提供了一種鉑納米線顆粒的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將鉑前驅體、載體材料粉末、掩蔽劑及還原劑水溶液混合成漿料，通過超聲處理使所述漿料混合均勻；

(2)將超聲處理后的所述漿料置于電解池裝置中持續或者間斷地施加直流電場，使所述鉑前驅體進行還原、顆粒沉積、生長；

(3)將反應后的所述漿料取出，進行過濾、洗滌、烘干，獲得鉑納米線顆粒(Pt-NWs)催化劑粉末。