铂磷合金催化剂及制备方法和使用该催化剂的燃料电池技术

本发明专利技术提供了一种取代型的铂磷合金催化剂，其中，所述取代型的铂磷合金中磷原子取代了铂原子的晶格位置。本发明专利技术还提供了制备该取代型的铂磷合金催化剂的方法，以及采用该取代型的铂磷合金催化剂的燃料电池。

Pt-P alloy catalyst, preparation method and fuel cell using the catalyst

【技术实现步骤摘要】
铂磷合金催化剂及制备方法和使用该催化剂的燃料电池
本专利技术涉及一种铂磷合金催化剂及制备方法，特别涉及一种包含取代型的铂磷合金催化剂及制备方法。此外，本专利技术还涉及一种使用该催化剂的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种新型可持续性的高效、环保的能源转换装置。燃料电池可直接将燃料的化学能转化成电能。燃料电池的阴极和阳极都需要高活性、高稳定性的催化剂。目前，燃料电池用的阴阳极催化剂主要是铂及其合金分散在碳黑载体上。相对于阳极反应的较快动力学，燃料电池的阴极氧还原反应的动力学非常迟缓，其过电位在0.3V以上。对于以氧还原作为阴极反应的质子交换膜燃料电池而言，为了达到额定的输出电流，阴极需要负载大量的贵金属Pt。目前在质子交换膜燃料电池中，阴极Pt的担载量仍在0.4mg/cm2，而阳极Pt的担载量非常低，约0.05mg/cm2。考虑到Pt是目前酸性介质中最高效的氧还原催化剂，提高Pt的本征活性是降低Pt担载量的有效途径。常见的解决思路是：(1)减小Pt基催化剂的粒径，以提高分散度、提高Pt的利用率；(2)提高Pt的本征活性。虽然3d过渡金属元素可以有效地提高Pt的氧还原活性，但是考虑到过渡金属的溶解无法避免，过渡金属离子会置换Nafion膜中的质子，降低膜的电导率，严重影响电池性能。另外，过渡金属离子会发生芬顿反应，破坏Nafion膜的结构。因此，这些高氧还原活性催化剂在燃料电池中的实际性能并不理想。专利CN107275646A公开了一种核壳结构的质子交换膜燃料电池催化剂及其制备方法，该催化剂为二维层状材料黑磷烯包覆的贵金属材料。然而，该催化剂表面的黑磷烯在实际电池中会被氧化，被酸溶解。专利CN102365775B公开了具有立方结构的磷化铂的催化剂及其制备方法，同时也公开了铂与其它非金属或类金属络合的催化剂。然而，该催化剂中磷是插入铂的晶格中，使得铂的晶格常数发生了明显的膨胀。纯铂的晶格常数而专利CN102365775B所公开的磷化铂的晶格常数晶格膨胀，会带来拉伸应力，增加表面反应性，降低铂表面的氧还原活性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种铂磷合金催化剂，可以有效解决上述问题。本专利技术是这样实现的：一种铂磷合金催化剂，其中，所述铂磷合金催化剂包括取代型的铂磷合金，所述取代型的铂磷合金中磷原子取代了铂原子的晶格位置。一种取代型的铂与非金属的合金催化剂，其中，所述铂与非金属的合金催化剂包括取代型的铂与非金属的合金，所述取代型的铂与非金属的合金中非金属原子取代了铂原子的晶格位置。一种燃料电池，包括一种含铂催化剂，所述含铂催化剂为上述任意一种催化剂。一种制备铂磷合金催化剂的方法，包括以下步骤：提供一铂的前驱体，分散在水中并进行超声；加入磷源进行反应；及离心处理，再真空干燥。作为进一步改进的，所述取代型的铂磷合金为取代型的铂磷体相合金、取代型的铂磷近表面合金、取代型的铂磷单层合金中的一种或几种。本专利技术的有益效果是：所述取代型的铂磷合金的晶格常数不发生膨胀，具有改善催化活性以及改善催化剂的稳定性的特点；所述铂磷合金催化剂溶解生成的磷酸根对燃料电池比较友好，可以克服过渡金属溶解产生的问题；采用所述铂磷合金催化剂应用于燃料电池时，催化剂高的催化活性能够降低催化剂的用量、降低成本；催化剂高的稳定性可以延长电池寿命；磷溶解产生的磷酸根等比过渡金属离子更友好，不损害Nafion膜。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。图1是本专利技术实施例提供的取代型的铂磷合金催化剂结构示意图,其中标号1、2、3、4为外层铂原子，5为磷原子，其余为体相的铂原子。图2是本专利技术实施例提供的取代型的铂磷合金与商业Pt/C的X射线衍射谱对比图。图3是本专利技术实施例提供的取代型的铂磷合金催化剂的流程制备图。图4是本专利技术实施例提供的取代型的铂磷合金与商业Pt/C的氧还原极化曲线图。图5是本专利技术实施例提供的氢气-空气燃料电池的测试结果图。图6是本专利技术实施例提供的商业Pt/C的稳定性测试前后的循环伏安曲线对比图。图7是本专利技术实施例提供的取代型的铂磷合金的稳定性测试前后的循环伏安曲线对比图。图8是本专利技术实施例提供的铂镍合金与取代型磷掺杂铂镍合金的氧还原质量活性的对比图。具体实施方式为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。参照图1所示，本专利技术实施例提供一种铂磷合金催化剂，包括取代型的铂磷合金。具体地，所述取代型的铂磷合金中磷原子取代了铂原子的晶格位置。所述取代型铂磷合金的晶格类型与纯铂的晶格类型相同，晶格常数也与纯铂基本相同。在这里，“基本相同”是指磷原子在取代铂原子时，晶格常数由于两原子的尺寸差距及原子间力改变会有微小程度的改变，但整体的晶格结构不会出现明显的畸变。所述取代型的铂磷合金包括但不限于取代型的铂磷体相合金、取代型的铂磷近表面合金、取代型的铂磷单层合金。所述取代型的铂磷体相合金是指磷与铂形成均一相的合金，磷均匀分布在铂体相中；所述取代型的铂磷近表面合金是指磷富集在铂的近表面层，近表面层的厚度不超过2nm；所述取代型的铂磷单层合金是指单原子层的铂磷合金包覆在非铂基底上，其中非铂基底包括但不限于钯、金、铑、铱、铁、铜、钴、镍等金属及其合金。具体地，所述取代型的铂磷近表面合金的催化性能优于取代型的铂磷体相合金和取代型的铂磷单层合金。图1为一种取代型的铂磷近表面合金的结构，其中标号1、2、3、4为外层铂原子，5为磷原子，其余为体相的铂原子。在该结构中次表层磷的存在使得表面铂原子发生畸变，与磷直接成键的4号铂原子发生了明显的下沉，产生高催化活性的内凹位点。如图2所示，从所述取代型的铂磷合金与商业Pt/C的X射线衍射谱对比可以看出，取代型铂磷合金的衍射峰的位置相比于商业Pt/C没有发生移动，这表明取代型铂磷合金的晶格常数没有改变。与Pt/C相比，取代型的铂磷合金的衍射峰半峰宽明显宽化。以(111)衍射峰为例，取代型的铂磷合金的衍射峰宽化了15.9％。进一步，所述铂磷合金催化剂中的磷也可以采用其它非金属代替从而形成取代型的铂与非金属的合金催化剂，所述其它的非金属包括但不限于氮、硼、硫、硒、碲、砷及其组合。该取代型的铂与非金属的合金催化剂包括但不限于取代型的铂与非金属体相合金、取代本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铂磷合金催化剂，其特征在于，所述铂磷合金催化剂包括取代型的铂磷合金，所述取代型的铂磷合金中磷原子取代了铂原子的晶格位置。

【技术特征摘要】
1.一种铂磷合金催化剂，其特征在于，所述铂磷合金催化剂包括取代型的铂磷合金，所述取代型的铂磷合金中磷原子取代了铂原子的晶格位置。2.如权利要求1所述的铂磷合金催化剂，其特征在于，所述取代型的铂磷合金为取代型的铂磷体相合金、取代型的铂磷近表面合金、取代型的铂磷单层合金中的一种或几种。3.如权利要求2所述的铂磷合金催化剂，其特征在于，所述取代型的铂磷体相合金是磷与铂形成均一相的合金，磷均匀分布在铂体相中；所述取代型的铂磷近表面合金是指磷富集在铂的近表面层，近表面层的厚度不超过2nm；所述取代型的铂磷单层合金是指单原子层的铂磷合金包覆在一非铂基底上，所述非铂基底为钯、金、铑、铱、铁、铜、钴、镍等金属及其合金中的一种。4.一种取代型的铂与非金属的合金催化剂，其特征在于，所述铂与非金属的合金催化剂包括取代型的铂与非金属的合金，所述取代型的铂与非金属的合金中非金属原子取代了铂原子的晶格位置。5.一种燃料电池，其特征在于，包括一种含铂催化剂，所述含铂催化剂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：田娜，卢帮安，周志有，孙世刚，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35