[發明專利]一種負載型高分散、小尺寸鉑基有序合金電催化劑的宏量制備方法

有效

• 申請號: 202110599610.8
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113346094B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 王堯;廖逸飛;陳云貴;吳朝玲
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 陳雍

本發明涉及質子交換膜燃料電池鉑基催化劑制備技術領域，具體涉及一種負載型高分散、小尺寸鉑基有序合金電催化劑的宏量制備方法。本方案使用金屬前驅液浸漬介孔硅，獲得粉末Ⅰ；對粉末Ⅰ經熱處理，獲得粉末Ⅱ；對粉末Ⅱ進行退火處理，獲得粉末Ⅲ；將粉末Ⅲ和載體分散于分散溶劑中，獲得分散液；然后刻蝕分散液中的介孔硅，獲得催化劑。本方案解決了過渡金屬元素與鉑合金化形成的催化劑的催化活性不理想的技術問題。所制備催化劑納米顆粒具有高分散性，納米顆粒尺寸約3?5nm，合金結構為金屬間化合物結構。本發明制備流程簡單、環境友好，適用于大規模生產；所制得催化劑具有較高的氧還原活性和穩定性，可直接應用于燃料電池中。

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池鉑基催化劑制備技術領域，具體涉及一種負載型高分散、小尺寸鉑基有序合金電催化劑的宏量制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)具有能量密度高、不受卡諾循環限制、零污染物排放等諸多優點，可以廣泛地應用于交通運輸、固定式發電、便攜式電源等領域。PEMFCs的工作原理是基于陽極的氫氧化反應(HOR)和陰極的氧還原反應(ORR)。相比于HOR，ORR具有較大的反應過電位和較慢的反應動力學。為了滿足PEMFCs的高功率需求，業界不得不增加催化劑使用量。然而鉑資源價格昂貴且我國儲量較低，這嚴重限制了燃料電池產業的推廣發展。

為了提高催化劑活性，降低鉑使用量，學界通常將過渡金屬元素(如Fe、Co、Ni等)與鉑合金化，以降低含氧物質(如-OH^*、-OH₂^*等)與鉑結合能，提高其催化反應動力學。Cui等(Chunhua Cui,et al.,Compositional segregation in shaped Pt alloynanoparticles and their structural behavior during electrocatalysis,NatureMaterials,2013,12,765-771.)通過溶劑熱法合成了具有八面體結構的Pt-Ni合金催化劑，該催化劑質量活性為商業Pt/C催化劑的10倍。然而，在長時間使用后Ni原子大量溶出，使得表面Pt原子配位數快速下降并開始發生表面原子重排。催化劑逐漸由八面體結構變為球形，導致其催化活性急劇衰減。即使通過化學、電化學手段去合金化預先去除表面不穩定賤金屬原子來短暫提升催化劑的耐久性，其所得粗糙的合金表面依然難以長時間維持(DeliWang,et al.,Tuning Oxygen Reduction Reaction Activity via ControllableDealloying:A Model Study of Ordered Cu₃Pt/C Intermetallic Nanocatalysts,NanoLetters,2012,12,5230-5238.)。