[發明專利]氧還原催化劑及其制備方法、燃料電池

在審

• 申請號: 202211278670.0
• 申請日: 2022-10-19
• 公開（公告）號: CN115663217A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 李寒煜;鄭欣;邱方程;王琦玥昕;劉榮海;郭新良;何運華
• 申請（專利權）人: 云南電網有限責任公司電力科學研究院
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 深圳中細軟知識產權代理有限公司 44528
• 代理人: 田麗麗

本發明公開了一種氧還原催化劑及其制備方法、燃料電池，氧還原催化劑，包括載體和負載在所述載體上的合金顆粒，所述合金顆粒包括金銅合金核和位于所述金銅合金核外表面的金鉑合金殼，所述金銅合金核的晶格結構為金原子密排層和銅原子密排層依次交叉層疊，所述金銅合金核外表面的銅原子被鉑原子取代形成所述金鉑合金殼。本發明的氧還原催化劑具有低鉑含量、高鉑利用率且高效穩定的優點。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，更具體地，涉及氧還原催化劑及其制備方法、燃料電池。

背景技術

隨著我國氫燃料電池產業持續發展，催化劑作為燃料電池的核心之一，將面臨更高的性能及成本要求。

在氫燃料電池中，位于電池陰極的氧氣還原反應涉及復雜的電子/質子轉移過程，具有較高的反應能壘且緩慢的動力學過程，需要高效穩定的氧氣還原催化劑來驅動電化學反應高效率進行。

現有技術中最高效的氧還原催化劑是炭載鉑納米顆粒，但由于鉑在自然界儲量稀少，導致其成本高昂，不利于燃料電池的商業推廣與應用，另外體相鉑納米顆粒只有位于最外層的鉑原子參與反應，處于顆粒內部的鉑并未被利用。因此，研究開發一種低鉑含量、高鉑利用率、高效穩定的電催化氧還原催化劑對于燃料電池技術發展和氫能利用都尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種低鉑含量、高鉑利用率且高效穩定的氧還原催化劑及其制備方法、燃料電池。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種氧還原催化劑，包括載體和負載在所述載體上的合金顆粒，所述合金顆粒包括金銅合金核和位于所述金銅合金核外表面的金鉑合金殼，所述金銅合金核的晶格結構為金原子密排層和銅原子密排層依次交叉層疊，所述金銅合金核外表面的銅原子被鉑原子取代形成所述金鉑合金殼。

本發明還公開了一種上述氧還原催化劑的制備方法，包括以下過程：

將銅鹽、金鹽、載體和還原劑加入溶劑中，所述還原劑將所述銅鹽中的銅離子和所述金鹽中的金離子分別還原成銅和金，得到負載在所述載體上的金銅合金核前軀體；

對所述負載在所述載體上的金銅合金核前軀體進行熱處理，所述金銅合金核前軀體的晶格結構由不規則結構形成由金原子密排層和鉑原子密排層依次交叉層疊的規則結構，得到負載在所述載體上的金銅合金核；

將所述負載在所述載體上的金銅合金核和鉑鹽分散于稀酸溶液中，所述鉑鹽中的鉑離子和所述金銅合金核外表面上的銅原子發生置換反應，所述銅原子被鉑原子取代，形成位于所述金銅合金核外表面的金鉑合金殼，得到所述氧還原催化劑。

本發明還公開了一種燃料電池，包括上述的氧還原催化劑。

實施本發明實施例，將具有如下有益效果：

本發明實施例以金銅合金核為體相，將鉑原子位于金銅合金核的外層殼層，降低鉑的含量，以及充分提高鉑的利用率。另，本發明實施例的合金顆粒能提供高效穩定的電催化性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

其中：

圖1是本發明一具體實施例的合金顆粒的原子結構示意圖，其中，白色原子為Pt，紅色原子為Au，黃色原子為Cu。

圖2是本發明一具體實施例的金銅合金核的原子結構示意圖，其中，紅色原子為Au，黃色原子為Cu。

圖3是分別在200℃和300℃下進行熱處理得到的合金顆粒的原子結構示意圖。