[發(fā)明專利]一種用于燃料電池的鉑基有序合金催化劑及其制備方法

在審

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• 申請日: 2022-02-23
• 公開（公告）號: CN114566657A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程年才;王子辰
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學(xué)俊

本發(fā)明公開一種用于燃料電池的鉑基有序合金催化劑及其制備方法，包括：首先對多孔碳載體進行脫氣處理，將脫氣后的多孔碳載體迅速加入強堿溶液中，使強堿溶液能夠充分填充多孔碳載體的孔隙；通過減壓過濾分離出碳載體，干燥后在惰性氣氛下高溫處理得到擴孔的多孔碳載體；然后以擴孔后的多孔碳作為鉑基合金催化劑的載體，利用多孔碳的限域作用，在還原性氣氛下高溫處理得到多孔碳載超小鉑基有序合金納米顆粒。該方法通過對多孔碳進行擴孔處理，使其表面孔結(jié)構(gòu)對鉑基合金納米顆粒產(chǎn)生強限域作用，有效抑制高溫有序化過程中鉑基合金納米顆粒的團聚長大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于燃料電池的鉑基有序合金催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著能源及環(huán)境污染問題日益嚴重，清潔可持續(xù)能源的使用顯得尤為重要。質(zhì)子交換膜燃料電池可以將氫氣與氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量密度高、清潔無污染、工作溫度較溫和等一系列的優(yōu)點，成為了極具發(fā)展前景的新型能源轉(zhuǎn)換裝置。但在現(xiàn)階段，由于其陰極緩慢的氧還原反應(yīng)、工作環(huán)境下催化劑的快速失活的問題，燃料電池商業(yè)化受到了極大阻礙。此外，目前使用最廣泛、性能最好的仍然是鉑基催化劑，貴金屬鉑的成本問題不可避免。因此，在不降低甚至提升鉑基催化劑性能的前提下，提高貴金屬鉑的利用率、降低成本是目前研究的重點。

將貴金屬鉑與價格較低的過渡金屬或主族金屬形成有序合金是一種提高催化劑活性及耐久性、降低貴金屬鉑使用量的有效策略。第二金屬的加入能夠有效調(diào)節(jié)催化劑表面鉑原子的電子結(jié)構(gòu)及原子間距，平衡催化劑對氧還原反應(yīng)過程中不同中間體的吸附，從而加快氧還原反應(yīng)速率；且有序合金中不同金屬原子在晶胞中有序排列會導(dǎo)致原子間產(chǎn)生更強的鍵合作用，使得合金納米顆粒具有顯著增強的穩(wěn)定性。但合金有序化一般采用高溫熱處理的方法，不可避免會造成納米顆粒粒徑的增大，故如何制備超小尺寸的有序合金納米顆粒仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

中國專利202010053954.4公開了一種亞納米鉑基有序合金的制備方法。該方法主要通過非貴金屬單原子，及表面的碳氮層產(chǎn)生限域作用，限制熱處理過程中鉑的遷移與長大，從而有效的控制合金顆粒的大小。但該方法中碳氮層產(chǎn)生限域作用的同時，不可避免會對有序合金納米顆粒的表面活性位產(chǎn)生遮蓋，導(dǎo)致傳質(zhì)過程受阻，電化學(xué)活性損失。

中國專利202110599610.8公開了一種負載型高分散、小尺寸鉑基有序合金電催化劑的宏量制備方法。該方法使用介孔硅的納米限域效應(yīng)抑制納米顆粒的燒結(jié)現(xiàn)象，制備超小尺寸的鉑基有序合金。并通過控制介孔硅的去除步驟，使顆粒均勻的負載在碳載體上。但該方法使用氫氟酸溶液去除介孔硅，具有較大的危險性，且介孔硅等雜質(zhì)難以去除干凈。

故探究一種安全、有效的方法，在制備超小尺寸的有序合金納米顆粒的同時，避免納米顆粒活性表面損失及傳質(zhì)過程受阻在目前的研究中尤為重要。采用具有超細納米級孔隙結(jié)構(gòu)的多孔碳作為載體，以其表面孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間限域作用是一種抑制顆粒尺寸長大的簡單安全的方法，且多孔碳材料有較大的比表面積以及豐富的表面孔隙，能夠促使合金納米顆粒在其表面的均勻擔載。但多孔碳表面孔隙的孔徑較小，提供的限域作用較弱，在溫度過高時難以有效地限制合金納米顆粒的團聚與長大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種用于燃料電池的鉑基有序合金催化劑的制備方法，首先進行脫氣處理，對脫氣處理后的多孔碳進行均勻擴孔，使其具有孔徑分布較窄且大小合適的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠提供更強的空間限域作用，有效限制高溫有序化過程中合金納米顆粒的團聚與長大，并使納米顆粒均勻負載在多孔碳表面，充分發(fā)揮出超小尺寸有序合金納米顆粒的電催化性能。

為了達到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于燃料電池的鉑基有序合金催化劑的制備方法包括以下步驟：

1）首先對多孔碳載體進行脫氣處理，將脫氣后的多孔碳載體迅速加入強堿溶液中分散均勻，使強堿溶液充分填充多孔碳的孔隙；

2）通過減壓過濾從步驟1）溶液中分離出多孔碳，干燥后在惰性氣氛下高溫處理，冷卻至室溫后洗滌并干燥研磨處理，得到擴孔的多孔碳載體；