一种Pt-Ni合金催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种Pt‑Ni合金催化剂及其制备方法与应用，属于贵金属催化剂技术领域。所述制备方法包括：将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃‑210℃反应10‑60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt‑Ni合金纳米晶溶液；将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；将步骤2所述Pt‑Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt‑Ni合金为活性成分的Pt‑Ni/C催化剂。该方法在不使用长碳链表面活性剂的条件下制备出了催化剂，降低了催化剂生产成本低，提高了催化剂的催化活性。

A Pt Ni alloy catalyst and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种Pt-Ni合金催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于贵金属催化剂领域，涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极电催化剂及其制备方法，涉及Pt-Ni/C电催化剂及其制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，因其能量转换效率高、环境污染少、可靠性高及无噪音等优点，被列为21世纪重要的可替代能源。然而，迄今为止，燃料电池的成本和寿命限制了它的广泛应用尤其是在民用领域的应用。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，决定着质子交换膜燃料电池的性能以及成本等。膜电极主要由催化层(包括阳极催化剂层和阴极催化剂层)、气体扩散层和质子交换膜组成，其中催化层是发生电化学反应的场所，决定着膜电极的性能。目前催化层的催化剂大多采用贵金属Pt催化剂，其全球储备量有限，成本高昂，严重阻碍了燃料电池商业化发展的进程。降低催化剂的Pt含量和提高催化活性对于降低燃料电池的成本具有重要意义。近年来，Pt基合金催化剂在提高Pt利用率及提高催化剂的耐久性方面引起了各研究者的关注。进一步研究发现，形貌控制的Pt-Ni合金因显示优秀的催化活性而成为研究的热点，但是到目前为止，大部分控制Pt基合金形貌的过程都涉及使用不同长碳链的表面活性剂，而表面活性剂在合金表面的吸附作用很强，合成反应结束后很难将其从金属颗粒表面完全除去，不利于Pt基合金催化剂电催化活性的提高。
技术实现思路
本专利技术技术要解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种质子交换膜燃料电池膜电极电催化剂的制备方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术实施例一种Pt-Ni合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃-210℃反应10-60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。在一可选实施例中，步骤1所述的酰胺类溶剂为甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或者两者组合。在一可选实施例中，步骤1中所述的铂盐和镍盐的摩尔比为1:(0.3～3)。在一可选实施例中，步骤1中所述的反应釜内CO气体的压力为1.5～3.0bar。在一可选实施例中，步骤4所述的将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，包括：先对步骤2得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液进行超声处理至少0.5h，然后在搅拌步骤3所述碳载体悬浮液的同时，逐滴向所述碳载体悬浮液中加入步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液，加完后超声处理至少0.5h，使所述Pt-Ni合金纳米晶溶液均匀分散在所述碳载体悬浮液中。在一可选实施例中，步骤4所述的洗涤包括：将滤饼用有机溶剂和去离子水交替洗涤数次，其中，所用的有机溶剂为无水乙醇或丙酮中的至少一种。在一可选实施例中，步骤4中所述的干燥，包括在60～80℃下真空干燥。上述制备方法制备的Pt-Ni合金催化剂。具体地，所述的Pt-Ni合金催化剂，形貌为立方体、八面体或截角八面体。上述方法制备的Pt-Ni合金催化剂作为阴极催化剂在质子交换膜燃料电池膜电极中的应用。本专利技术与现有技术相比有益效果为：本专利技术实施例提供的质子交换膜燃料电池膜电极Pt-Ni合金催化剂的制备方法，将铂盐和镍盐在酰胺类溶剂中进行反应，由于酰胺类的溶剂结合CO气体分子，与金属前驱体共同形成了金属原子配合物，配合物的长度和形式随着高压釜内CO压力发生变化，从而调控Pt原子和Ni原子在不同晶面上的沉积速率，实现在不使用长碳链的表面活性剂的条件下制备出形貌可控的Pt-Ni合金催化剂；该方法操作简单，产率较高，降低了催化剂生产成本，且制备得到的Pt-Ni合金催化剂表面非常洁净，活性位点不会被表面活性剂吸附占据，有效提高了催化剂的催化活性。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的Pt-Ni合金透射电镜照片；图2为本专利技术实施例2提供的Pt-Ni合金透射电镜照片；图3为本专利技术实施例4提供的Pt-Ni合金透射电镜照片；图4为本专利技术实施例制备的Pt-Ni合金催化剂及对比例Pt催化剂的氧还原极化曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术实施例提供了一种Pt-Ni合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；具体地，本专利技术实施例中铂盐优选Pt(acac)2、K2PtCl6、H2PtCl6中的一种或一种以上组合，镍盐优选Ni(acac)2、NiCl2中的一种或一种以上组合；铂盐和镍盐的摩尔比优选1:(0.3～3)，该配比既有利于控制晶体形貌，又能够保证催化剂活性，有利于提高催化剂的催化效果，当铂盐和镍盐的摩尔比优选1:1时得到的催化剂催化效果最佳；所述的酰胺类溶剂优选甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或一种以上组合，优选二甲基酰胺；步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃-210℃反应10-60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；反应釜内CO的压力优选1.5～3.0bar。当CO压力较低时，CO气体分子迅速吸附在溶液中新形成的Pt-Ni合金簇表面，起类似表面活性剂的作用，使形成的晶核尺寸非常均匀；在接下来的晶核生长过程中，CO气体分子在(100)面的吸附较(111)面强，因此，CO压力较低时合成的合金含有较多立方体形貌。当CO压力较高时，酰胺类溶剂结合CO气体分子，可以与金属前驱体共同形成金属原子配合物(metalatomcomplex)，配合物的长度和形式随着通入CO气体的时间发生变化，从而调控Pt原子和Ni原子在不同晶面上的沉积速率。当CO气体压力为2.0bar时，金属原子配合物的形式有利于Pt原子和Ni原子在(100)晶面的优先沉积，合成了具有(111)优势晶面的八面体/截角八面体Pt3Ni合金。本专利技术实施例中，铂盐和镍盐在160-210℃下反应10-60min；当反应温度过高或过低时，金属原子在Pt-Ni合金的各晶面上的沉积速率差别很小，容易导致最终合成的纳米颗粒形貌不规则，当反应温度为160-210℃时，可以确保最终合成的纳米颗粒形貌规则可控；步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；本专利技术实施例中，第二溶剂为小分子溶剂，如乙醇、丙酮、水等，用于均匀分散碳载体；碳载体在第二溶剂中的浓度优选1-5mg/ml。步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。具体地，本专利技术实施例中优选先对步骤2得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液进行超声处理至少0.5h，然后在高速搅拌所述碳载体悬浮液的同时，逐滴向所述碳载体悬浮液中缓慢加入所述Pt-Ni合金纳米晶溶液，加完后超声处理至少0.5h，使所述Pt-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Pt‑Ni合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃‑210℃反应10‑60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt‑Ni合金纳米晶溶液；步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；步骤4、将步骤2所述Pt‑Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt‑Ni合金为活性成分的Pt‑Ni/C催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种Pt-Ni合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃-210℃反应10-60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。2.根据权利要求1所述的Pt-Ni合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1所述的酰胺类溶剂为甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或者两者组合。3.根据权利要求1所述的Pt-Ni合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的铂盐和镍盐的摩尔比为1:(0.3～3)，所述铂盐在所述第一溶剂中的浓度为1.5-6mmol/L。4.根据权利要求1或2所述的Pt-Ni合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的反应釜内CO气体的压力为1....

【专利技术属性】
技术研发人员：张娜，王国文，马骁，章丹亭，申帅帅，于继胜，孙凤焕，陈红，
申请(专利权)人：北京航天石化技术装备工程有限公司，北京航天创新专利投资中心有限合伙，
类型：发明
国别省市：北京,11