本发明专利技术提供的一种高载量铂镍有序金属间化合物，其采用三维多孔碳凝胶作为载体，是由如下方法制备的：包含有氧化石墨烯的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后水热反应生成碳凝胶均匀负载高载量铂镍无序合金，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物。其与传统的高载量Pt/C催化剂相比，该催化剂相对降低了贵金属Pt的用量，利用金属间的协同作用提高催化剂的活性，利用有序金属纳米颗粒的高分散性提高了催化剂的稳定性，催化剂在有序化热处理后依旧保持高度的分散特性。本发明专利技术还公开了该化合物的制备方法。本发明专利技术还公开了该化合物的用途。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高载量铂镍有序金属间化合物,特别是一种三维碳凝胶负载的高载量铂镍有序金属间化合物。本专利技术还涉及一种高载量铂镍有序金属间化合物的制备方法。本专利技术还涉及一种高载量铂镍有序金属间化合物的用途。
技术介绍
随着人类社会的不断发展，全球能源危机逐渐凸显，并且化石能源的直接使用对地球环境产生严重污染，威胁地球生物的生存质量，因此发展清洁、高效能源产业迫在眉睫。直接甲醇燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能的装置，其燃料来源丰富、价格低廉、易于存储和运输，能量密度高，被认为是理想的民用和军用便携式电源和交通器用电源。然而直接甲醇燃料电池要想真正商业化仍然有许多问题要解决：催化剂成本高、活性及稳定性差、甲醇渗透对阴极催化剂的毒化等。其中催化剂为燃料电池的核心，很大程度上决定了电池的性能及成本。并且在实际应用中，高载量的催化剂能够降低催化层电阻以及物质的传输阻力，降低电池内阻，提高燃料电池性能。因此，开发高载量、高活性和高稳定性的催化剂对于推动直接甲醇燃料电池的早日商业化意义重大。本专利技术所述的高载量铂镍有序金属间化合物是指其所含金属的重量含量在50％～80％。目前直接甲醇燃料电池使用的催化剂为铂基催化剂，铂被认为是阴极催化剂的最佳活性组分。然而，目前铂作为阴极催化剂存在以下问题：(1)铂资源匮乏，价格昂贵；(2)氧还原活性有待提高；(3)铂抗甲醇毒化能力差；(4)稳定性差。为了降低催化剂成本、提高催化剂活性和稳定性，主要从三个方面展开研究：(1)铂与其他金属合金化；(2)无序合金有序化；(3)使用高比表面积的载体作为高金属载量催化剂载体。然而，铂基无序合金催化剂由于金属协同效应在降低铂用量的同时能够提高催化剂电催化活性，但也存在金属容易析出溶解、催化剂稳定性差等问题。通过高温热处理能够使无序合金有序化，提高催化剂的稳定性。然而高金属载量催化剂高温处理过程催化剂纳米颗粒容易团聚长大，大大降低催化剂活性。因此，如何既能通过高温热处理使无序合金有序化，提高催化剂的稳定性，又能减
缓催化剂颗粒热处理过程中的长大现象，使催化剂纳米颗粒保持高度分散的特性，进而保持催化剂的活性，便是本专利技术要解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高载量铂镍有序金属间化合物，其不仅通过高温热处理使无序合金有序化，提高催化剂的稳定性，同时又保持了催化剂纳米颗粒的高度分散特性，保持了催化剂的活性。本专利技术提供的一种高载量铂镍有序金属间化合物，其采用三维多孔碳凝胶作为载体，是由如下方法制备的：包含有氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后溶剂热反应生成碳凝胶(carbon aerogel，CA)均匀负载高载量铂镍无序合金D-PtNi/CA，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶(carbon aerogel，CA)均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物(O-PtNi/CA)。优选地，其金属重量含量为50％～80％，对其进行X射线衍射表征可以发现其具有铂-镍金属间化合物的特征峰，铂与镍的原子比1:0.9～1:1.1，其纳米颗粒的平均粒径为12.0～20.0nm。优选地，所述金属重量含量为80％；优选地，所述铂-镍金属间化合物的特征峰为(001)、(110)、(201)、(112)、(221)、(310)中的至少两个；优选地，铂与镍的原子比1:1.05；优选地，其纳米颗粒的平均粒径为15nm。本专利技术还提供了所述高载量PtNi有序金属间化合物的制备方法，其包括如下步骤：包含有氧化石墨烯(GO)的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后溶剂热反应生成碳凝胶均匀负载高载量铂镍无序合金(D-PtNi/CA)，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物(O-PtNi/CA)；优选地，其具体步骤如下：(1)量取氧化石墨烯(GO)水分散液于烧杯中，加入二水合柠檬酸钠作为氧化石墨烯(GO)的稳定剂，超声使之完全溶解，然后加入酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液超声混合均匀；其中，氧化石墨烯(GO)水分散液中氧化石墨烯(GO)的质量大于酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液中多壁碳纳米管(MWCNTs)的质量；其中，二
水合柠檬酸钠的质量小于氧化石墨烯(GO)水分散液中氧化石墨烯(GO)的质量与酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液中多壁碳纳米管(MWCNTs)的质量之和的5倍；(2)将Pt前驱体和Ni前驱体溶解到氢氧化钠(NaOH)的乙二醇(EG)溶液中，再加入谷氨酸钠超声溶解到上述乙二醇(EG)溶液中；其中，Ni前驱体为Pt前驱体的1.1～1.3摩尔当量；其中，所述谷氨酸钠的质量小于氧化石墨烯(GO)水分散液中氧化石墨烯(GO)的质量与酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液中多壁碳纳米管(MWCNTs)的质量之和的7.5倍；(3)将步骤(2)所得乙二醇(EG)溶液缓缓搅拌加入到步骤(1)所得的分散液中，超声搅拌；然后将上述液体转移到聚四氟乙烯内衬的反应釜中，进行溶剂热反应，得到圆柱状黑色碳水凝胶；依次乙醇洗、水洗；其中，超声搅拌的温度不超过45℃；(4)然后将所得凝胶进行冷冻干燥，得到三维碳凝胶负载的铂镍无序合金(D-PtNi/CA)；(5)将步骤(4)制得的三维碳凝胶负载的高载量铂镍无序合金(D-PtNi/CA)在还原性气氛中进行高温有序化热处理，即可得到三维碳凝胶负载的高载量铂镍有序金属间化合物(O-PtNi/CA)。优选地，氧化石墨烯(GO)水分散液中氧化石墨烯(GO)的质量与酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液中多壁碳纳米管(MWCNTs)的质量的比值为2:1～10:1；优选地，在步骤(1)中，可以不加入酸性多壁碳纳米管(MWCNTs)水分散液；优选地，Ni前驱体为Pt前驱体的1.24摩尔当量；优选地，所述氢氧化钠的乙二醇溶液的浓度为0.5mol·L-1；其氢氧化钠的摩尔量大于所述Pt前驱体的10倍；优选地，所述Pt前驱体选自PtCl4或K2PtCl4；所述Ni前驱体选自NiCl2·6H2O或无水氯化镍；优选地，步骤(3)中，溶剂热反应的温度为180～220℃；时间为8～12小时；优选地，步骤(4)中，冷冻干燥包括：将所得凝胶投入到液氮中冷冻10～30min，在-20℃的冷井中真空冷冻干燥，至干燥完全；优选地，步骤(5)在管式炉中进行，通入的还原性气体为1％～50％的H2/N2混合气或1％～50％的H2/Ar；优选地，热处理温度为400～500℃，时间为12～30小时。本专利技术还提供了所述高载量PtNi有序金属间化合物的用途，其可以作为催化剂，
应用于燃料电池、脱氧反应、脱氢反应、还原反应等领域中。本专利技术提供的高载量铂镍有序金属间化合物，其采用高比表面积的三维多孔凝胶料作为载体，实现了高载量铂镍无序合金金属纳米颗粒的均匀高分散负载，从而减缓了有序化热处理过程中金属纳米颗粒长大，获得的三维碳凝胶负载高载量铂镍有序金属间化合物(O-PtNi/CA)中的金属纳米颗粒仍然本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高载量铂镍有序金属间化合物，其特征在于，其采用三维多孔碳凝胶作为载体，其是由如下方法制备的：包含有氧化石墨烯的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后溶剂热反应生成碳凝胶均匀负载高载量铂镍无序合金，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物。
【技术特征摘要】
1.一种高载量铂镍有序金属间化合物，其特征在于，其采用三维多孔碳凝胶作为载体，其是由如下方法制备的：包含有氧化石墨烯的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后溶剂热反应生成碳凝胶均匀负载高载量铂镍无序合金，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物。2.如权利要求1所述的高载量铂镍有序金属间化合物，其特征在于，其金属重量含量为50％～80％，对其进行X射线衍射表征可以发现其具有铂-镍金属间化合物的特征峰，铂与镍的原子比1:0.9～1:1.1，其纳米颗粒的平均粒径为12.0～20.0nm。3.如权利要求1所述的高载量铂镍有序金属间化合物，其特征在于，所述铂-镍金属间化合物的特征峰为(001)、(110)、(201)、(112)、(221)、(310)中的至少两个；铂与镍的原子比1:1.05；其纳米颗粒的平均粒径为15nm。4.一种如权利要求1所述的高载量铂镍有序金属间化合物的制备方法，其特征在于，包含有氧化石墨烯的碳载体前驱体分散液、含有Pt前驱体和Ni前驱体的金属前驱体溶液、还原剂和二水合柠檬酸钠均匀混合，然后溶剂热反应生成碳凝胶均匀负载高载量铂镍无序合金，然后在还原性气氛下进行热处理，形成碳凝胶均匀负载高载量铂镍有序金属间化合物。5.如权利要求4所述的高载量铂镍有序金属间化合物的制备方法，其特征在于，其具体步骤如下：(1)量取氧化石墨烯水分散液于烧杯中，加入二水合柠檬酸钠作为氧化石墨烯的稳定剂，超声使之完全溶解，然后加入酸性多壁碳纳米管水分散液超声混合均匀；其中，氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯的质量大于酸性多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的质量；其中，二水合柠檬酸钠的质量小于氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯的质量与酸性多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的质量之和的5倍；(2)将Pt前驱体和Ni前驱体溶解到氢氧化钠的乙二醇溶液中，再加入谷氨酸钠超声溶解到上述乙二醇溶液中；其中，Ni前驱体为Pt前驱体的1.1～1.3摩尔当量；其中，所述谷氨酸钠的质量小于氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯的质量与酸性多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的质量之和的7.5倍；(3)将步骤(2)所得乙二醇溶液缓缓搅拌加入到步骤(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，王亚蒙，邹志青，黄庆红，邹亮亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31
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