一种负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂的制备方法，它涉及一种燃料电池阴极催化剂的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有燃料电池阴极催化剂由于Pt颗粒溶解与迁移导致其稳定性差的问题。方法：一、铌盐前驱体的处理；二、铌氧化物的还原；三、制备催化剂，得到负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂。本发明专利技术可获得一种负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种燃料电池阴极催化剂的制备方法。
技术介绍
随着能源短缺、环境污染等问题的加剧，以及储氢材料和电催化剂开发方面的重大突破，未来电动汽车极有可能大规模投入使用。燃料电池以其零污染、高转化率等优势逐步成为电动汽车的主要动力来源。作为燃料电池一个重要的种类，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)以其启动快、安全性高等特点，近年来逐渐成为了研究热点。然而PEMFC的发展也受到了诸多问题的限制，如储氢手段落后、催化剂利用率低、活性低、耐久性差、成本高等。目前，PEMFC的基础研究主要集中在催化剂方面，而催化剂的活性和稳定性是制约其商业化的重要因素。催化剂的失效机制主要分为两个方面:一是碳载体的腐蚀，二是Pt催化剂的退化。对于碳载体腐蚀，在燃料电池工作过程中，阴极催化剂会长时间处于高电位环境下，碳载体容易发生氧化反应而腐蚀。碳载体的腐蚀会造成Pt颗粒的脱落、溶解和团聚；导致碳载体自身导电性下降，阻碍电子传递；改变碳载体的亲水性，增加气体扩散的难度；同时还会影响催化层的微观结构，导致性能的降低，甚至还会有Pt颗粒迀移或沉积到碳载体凹陷处或孔道中引起载体对部分Pt的遮蔽与覆盖，这就使得Pt的利用率降低。Pt催化剂的退化主要是由于颗粒长大和Pt的毒化导致的。Pt颗粒的长大可能原因是Ostwald熟化理论，即小颗粒的Pt再沉积在已存在的大颗粒Pt上。同时也有可能是新相在电解质膜上或者在碳载体上的再沉积，还有可能是Pt颗粒的迀移团聚。这些问题都可能伴随着Pt的溶解，因此，如果能够减缓或避免Pt的溶解，可以很大程度上减缓或避免催化剂的失效。由于Pt的迀移团聚仍缺少足够的证据，因此Pt的溶解再沉积被认为是Pt颗粒长大的主要机制。对于Pt的溶解过程，许多学者进行了大量的研究。Sugawara等在总结前人研究的基础上，提出了 Pt在电位阶跃下的溶解机理，认为Pt的溶解过程与氧化过程是同时存在的。由于Pt的氧化与Pt的溶解紧密相连，因此Pt-O生成机制的研究显得尤为重要，目前已存在的Pt-O生成机制解释有两种，分别是Pt氧化物的生成和Pt吸附氧原子，但对此并没有定论，Pt的溶解机理也需要进一步的研究论证。Liu等利用XPS和STM研究发现在不同压力的氧气中Pt(IlO)晶面会出现不同的Pt-O结合形态。目前提高催化剂稳定性的方法主要有:Pt的表面修饰、特殊结构的构筑、载体稳定性的提高、催化剂颗粒的锚定、采用非贵金属催化剂或金属氧化物以及Pt的合金化等。这些方法不仅有助于提高稳定性，有的还能提高Pt的利用率，节约成本，或在一定程度上提升催化剂活性。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有燃料电池阴极催化剂由于Pt颗粒溶解与迀移导致其稳定性差的问题，而提供。—种负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂的制备方法，是按以下步骤完成的:一、铌盐前驱体的处理:①、将铌前驱体溶解到无水乙醇中，得到铌盐溶液；将摩尔浓度为lmol/L?3mol/L的氨水以40滴/min?60滴/min的滴加速度滴加到铌盐溶液中，再在搅拌速度为360r/min?540r/min下搅拌反应90min?120min，再进行离心分离，得到沉淀物质A ;使用高纯水对沉淀物质A清洗3次?5次，得到清洗后的沉淀物质A ；步骤一①中所述的银前驱体的质量与无水乙醇的体积比为lg: (2mL?4mL)；步骤一①中所述的摩尔浓度为lmol/L?3mol/L的氨水与铌盐溶液的体积比为1: (I ?20)；②、将清洗后的沉淀物质A加入到摩尔浓度为0.5mol/L?lmol/L的草酸水溶液中，再加入质量分数为25%?28%的氨水，再进行离心分离，得到沉淀物质B ;使用高纯水对沉淀物质B清洗3次?5次，得到Nb (OH) 5;将Nb (OH) 5在温度为60°C?70°C下干燥8h?12h，再进行研磨，得到Nb (OH) 5粉末；步骤一②中所述的清洗后的沉淀物质A的质量与摩尔浓度为0.5mol/L?lmol/L的草酸水溶液的体积比为lg: (80mL?10mL)；步骤一②中所述的摩尔浓度为0.5mol/L?lmol/L的草酸水溶液与质量分数为25%?28%的氨水的体积比为10: (I?2)；二、铌氧化物的还原:①、将Nb (OH) 5粉末置于管式炉内，再将管式炉以5 °C /min?8°C /min的升温速度从室温升温至900°C?1050°C，再在900°C?1050°C和氧气气氛的条件下保温1h?14h，得到Nb2O5,再将Nb2O5进行研磨，得到Nb 205粉末；②、将Nb2O5粉末溶解到高纯水中，得到Nb 205水溶液；将Nb 205水溶液加入到聚四氟乙烯水热反应釜内衬中，再加入水合肼，搅拌均匀，密封聚四氟乙烯水热反应釜；再将密封的聚四氟乙烯水热反应釜置于均相反应器中，再在温度为200°C?240°C和旋转速度为100r/min?160r/min的条件下反应15h?20h，得到沉淀物质物质C ;分别使用无水乙醇和高纯水对沉淀物质C清洗6次?8次，再在温度为20°C?25°C下真空干燥8h?12h，再进行研磨，得到NbO2粉末；步骤二②中所述的Nb2O5粉末的质量与高纯水的体积比为0.5g: (20mL?30mL)；步骤二②中所述的Nb2O5水溶液中Nb 205粉末的质量与水合肼的体积比为0.5g: (15mL ?18mL)；三、制备催化剂:①、将他02粉末加入到碳源的质量分数为0.08%?0.09%的碳源的乙二醇溶液中，再在室温和超声功率为400W?600W的条件下超声处理30min?50min，再在搅拌速度为360r/min?540r/min的磁力搅拌器上搅拌6h?12h，再加入的氯铀酸乙二醇溶液，再在搅拌速度为360r/min?540r/min下搅拌12h?18h，得到混合溶液I ;使用浓度为0.1mol/L?0.3mol/L的氢氧化钠乙二醇溶液将混合溶液I的pH值调节至10?12，再在搅拌速度为360r/min?540r/min的条件下搅拌12h?16h，得到混合溶液II ；步骤三①中所述的碳源的质量分数为0.08%?0.09%的碳源的乙二醇溶液为碳源溶解到乙二醇溶液中，得到碳源的质量分数为0.08%?0.09%的碳源的乙二醇溶液；碳源的质量分数为0.08%?0.09%的碳源的乙二醇溶液中碳源为氧化石墨烯或XC-72炭M.步骤三①中所述的NbO2粉末与碳源的质量分数为0.08%?0.09%的碳源的乙二醇溶液中碳源的质量比为1:1 ;步骤三①中所述的氯铂酸乙二醇溶液的摩尔浓度为0.01mol/L?0.03mol/L ;步骤三①中所述的NbO2粉末的质量与氯铂酸乙二醇溶液的体积比为0.5g:(55mL ?75mL)；②、向混合溶液II中通入氩气20min?30min，得到去除氧气的混合溶液II ;将去除氧气的混合溶液II放入微波炉中，在功率为800W?1000W下微波加热反应55s?70s，得到微波炉加热后的混合溶液II ;将微波炉加热后的混合溶液II在室温和搅拌速度为360r/min?540r/min的条件下冷却至室温，再使用浓度为lmol/L?2mol/L的HN本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于一种负载贵金属Pt的具备特殊三相边界结构的燃料电池阴极催化剂的制备方法是按以下步骤完成的：一、铌盐前驱体的处理：①、将铌前驱体溶解到无水乙醇中，得到铌盐溶液；将摩尔浓度为1mol/L～3mol/L的氨水以40滴/min～60滴/min的滴加速度滴加到铌盐溶液中，再在搅拌速度为360r/min～540r/min下搅拌反应90min～120min，再进行离心分离，得到沉淀物质A；使用高纯水对沉淀物质A清洗3次～5次，得到清洗后的沉淀物质A；步骤一①中所述的铌前驱体的质量与无水乙醇的体积比为1g:(2mL～4mL)；步骤一①中所述的摩尔浓度为1mol/L～3mol/L的氨水与铌盐溶液的体积比为1:(1～20)；②、将清洗后的沉淀物质A加入到摩尔浓度为0.5mol/L～1mol/L的草酸水溶液中，再加入质量分数为25％～28％的氨水，再进行离心分离，得到沉淀物质B；使用高纯水对沉淀物质B清洗3次～5次，得到Nb(OH)5；将Nb(OH)5在温度为60℃～70℃下干燥8h～12h，再进行研磨，得到Nb(OH)5粉末；步骤一②中所述的清洗后的沉淀物质A的质量与摩尔浓度为0.5mol/L～1mol/L的草酸水溶液的体积比为1g:(80mL～100mL)；步骤一②中所述的摩尔浓度为0.5mol/L～1mol/L的草酸水溶液与质量分数为25％～28％的氨水的体积比为10:(1～2)；二、铌氧化物的还原：①、将Nb(OH)5粉末置于管式炉内，再将管式炉以5℃/min～8℃/min的升温速度从室温升温至900℃～1050℃，再在900℃～1050℃和氧气气氛的条件下保温10h～14h，得到Nb2O5，再将Nb2O5进行研磨，得到Nb2O5粉末；②、将Nb2O5粉末溶解到高纯水中，得到Nb2O5水溶液；将Nb2O5水溶液加入到聚四氟乙烯水热反应釜内衬中，再加入水合肼，搅拌均匀，密封聚四氟乙烯水热反应釜；再将密封的聚四氟乙烯水热反应釜置于均相反应器中，再在温度为200℃～240℃和旋转速度为100r/min～160r/min的条件下反应15h～20h，得到沉淀物质物质C；分别使用无水乙醇和高纯水对沉淀物质C清洗6次～8次，再在温度为20℃～25℃下真空干燥8h～12h，再进行研磨，得到NbO2粉末；步骤二②中所述的Nb2O5粉末的质量与高纯水的体积比为0.5g:(20mL～30mL)；步骤二②中所述的Nb2O5水溶液中Nb2O5粉末的质量与水合肼的体积比为0.5g:(15mL～18mL)；三、制备催化剂：①、将NbO2粉末加入到碳源的质量分数为0.08％～0.09％的碳源的乙二醇溶液中，再在室温和超声功率为400W～600W的条件下超声处理30min～50min，再在搅拌速度为360r/min～540r/min的磁力搅拌器上搅拌6h～12h，再加入的氯铂酸乙二醇溶液，再在搅拌速度为360r/min～540r/min下搅拌12h～18h，得到混合溶液Ⅰ；使用浓度为0.1mol/L～0.3mol/L的氢氧化钠乙二醇溶液将混合溶液Ⅰ的pH值调节至10～12，再在搅拌速度为360r/min～540r/min的条件下搅拌12h～16h，得到混合溶液Ⅱ；步骤三①中所述的碳源的质量分数为0.08％～0.09％的碳源的乙二醇溶液为碳源溶解到乙二醇溶液中，得到碳源的质量分数为0.08％～0.09％的碳源的乙二醇溶液；碳源的质量分数为0.08％～0.09％的碳源的乙二醇溶液中碳源为氧化石墨烯或XC‑72炭黑；步骤三①中所述的NbO2粉末与碳源的质量分数为0.08％～0.09％的碳源的乙二醇溶液中碳源的质量比为1:1；步骤三①中所述的氯铂酸乙二醇溶液的摩尔浓度为0.01mol/L～0.03mol/L；步骤三①中所述的NbO2粉末的质量与氯铂酸乙二醇溶液的体积比为0.5g:(55mL～75mL)；②、向混合溶液Ⅱ中通入氩气20min～30min，得到去除氧气的混合溶液Ⅱ；将去除氧气的混合溶液Ⅱ放入微波炉中，在功率为800W～1000W下微波加热反应55s～70s，得到微波炉加热后的混合溶液Ⅱ；将微波炉加热后的混合溶液Ⅱ在室温和搅拌速度为360r/min～540r/min的条件下冷却至室温，再使用浓度为1mol/L～2mol/L的HNO3溶液将微波炉加热后的混合溶液Ⅱ的pH值调节至1～0.5，再在搅拌速度为360r/min～540r/min的条件下搅拌12h～18h，得到混合溶液Ⅲ；③、将温度为80℃～100℃的高纯水加入到混合溶液Ⅲ中，再搅拌均匀，得到混合溶液Ⅳ；将混合溶液Ⅳ进行抽滤，得到沉淀物质D；将沉淀物质D在温度为‑30℃～‑50℃下冷冻干燥10h～16h，得到负载贵金属Pt的具备特殊三相...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：尹鸽平，孙佳，高云智，杜春雨，左朋建，杜磊，孙薇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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