一种催化剂及其制备方法技术

本申请提供一种催化剂及其制备方法，属于燃料电池催化剂制备技术领域。该催化剂的制备方法，包括如下步骤：对覆盖有有机聚合物层的催化剂前体进行高温热处理，使有机聚合物裂解炭化形成炭化层；其中，催化剂前体包括载体以及负载在载体上的纳米金属颗粒。将表面形成有炭化层的催化剂前体置于氧化性酸溶液中进行酸处理，以去除炭化层。此催化剂的活性更高，使用寿命更长。

【技术实现步骤摘要】
一种催化剂及其制备方法
本申请涉及燃料电池催化剂制备
，具体而言，涉及一种催化剂及其制备方法。
技术介绍
氢能作为一种二次能源，具有来源广泛、质量能量密度高、对环境友好等优点，被认为是理想的新型能源。而氢燃料电池可以利用氢气将化学能直接转化为电能，具有功率密度高、启动快速等特点，应用于汽车、固定式电站、便携式电源等领域具有十分突出的优势。目前燃料电池膜电极中阴极催化剂以铂碳催化剂为主。其中铂碳催化剂多以液相法、微波法等湿法制得。
技术实现思路
专利技术人研究发现，一般的铂碳催化剂，在目前已经公布的专利和文献报道中，公开号：CN111092235A采用微波法制备的催化剂初始性能较好，但是在进行催化剂老化性能测试的时候，催化剂在长期使用过程中容易出现电化学性能下降的问题。本申请的目的在于提供一种催化剂及其制备方法，可以缓解上述问题，提升催化剂的使用寿命。第一方面，本申请提供一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：对覆盖有有机聚合物层的催化剂前体进行高温热处理，使有机聚合物裂解炭化形成炭化层；其中，催化剂前体包括载体以及负载在载体上的纳米金属颗粒。将表面形成有炭化层的催化剂前体置于氧化性酸溶液中进行酸处理，以去除炭化层。对覆盖有有机聚合物层的催化剂前体进行热处理，一方面，可以提高载体上的纳米金属颗粒的结晶度，从而提高纳米金属颗粒的活性，催化效果更好。另一方面，可以使有机聚合物裂解，形成炭化层。在裂解形成炭化层，并通过氧化性酸溶液去除炭化层(在氧化性酸溶液中去除炭化层，氧化性酸溶液的氧化性较为合理，在去除炭化层的同时，能够在一定程度上避免催化剂前体中的载体被酸溶液腐蚀)的过程中，可以增加金属纳米颗粒间的空间位阻，抑制了催化剂在应用的过程中，金属纳米颗粒的聚集，可以提升催化剂的使用寿命。在一种可能的实施方式中，高温热处理是在温度为400-800℃的绝氧条件下处理0.5-3h。可选地，在温度为400-650℃的条件下处理1-3h。在一种可能的实施方式中，绝氧条件为还原气氛或惰性气氛；可选地，还原气氛为氢氩混合气氛或氢氮混合气氛，氢气与氮气或氩气的体积比为1:100-1:4，混合气体的通入速率为2000-15000sccm。在一种可能的实施方式中，高温热处理在固定床反应器中进行，固定床反应器的材质是石英玻璃材质，固定床反应器的固定床管径为30-50mm。可以使用固定床反应器进行大规模生产。在一种可能的实施方式中，纳米金属颗粒与载体的质量比为2:8-7:3；可选地，纳米金属颗粒为铂纳米颗粒；载体为实心碳载体或孔径大于2nm的多孔碳载体。载体为实心碳载体或孔径大于2nm的多孔碳载体，可以在一定程度上避免高温裂解形成的炭化层堵塞碳载体的孔道，以便后续进行炭化层的去除。在一种可能的实施方式中，覆盖有聚合物层的催化剂前体的制备方法，包括：将催化剂前体与聚合物单体溶液混合得到混合物，向混合物中加入引发剂，使聚合物单体发生聚合反应，取固体后干燥，得到覆盖有有机聚合物层的催化剂前体。通过聚合反应的同时，使有机聚合物层形成并覆盖在催化剂前体上，可以使有机聚合物层的覆盖更加均匀且二者的结合效果更好，以便提高后续制备的催化剂的使用寿命。在一种可能的实施方式中，聚合物单体溶液中的聚合物单体包括吡咯、苯胺和多巴胺中的一种或多种；聚合物单体质量为催化剂前体质量的0.3％-2.0％；引发剂为过氧化氢或/和过硫酸铵。在一种可能的实施方式中，氧化性酸溶液为硝酸溶液，硝酸溶液的摩尔浓度小于2M；可选地，所述硝酸溶液的摩尔浓度为0.1-2M。在一种可能的实施方式中，酸处理的时间为10min-24h；酸处理的温度为50-80℃。可以在有效除去炭化层的同时，避免催化剂中的载体碳被反应。第二方面，本申请提供一种催化剂，由上述制备方法制备得到。可以使催化剂的活性更高，使用寿命更长。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的某些实施例，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他相关的附图也属于本申请的保护范围。图1为本申请提供的催化剂的制备流程图；图2为本申请实施例1提供的铂碳催化剂的透射电镜图；图3为本申请实施例2提供的铂碳催化剂的透射电镜图；图4为对比例1提供的铂碳催化剂的透射电镜图；图5为对比例3提供的铂碳催化剂的透射电镜图；图6为本申请实施例1与实施例2提供的催化剂制备的膜电极在单片电池在进行催化剂老化性能测试过程的VI性能变化图；图7为本申请实施例1与对比例1提供的催化剂制备的膜电极在单片电池在进行催化剂老化性能测试过程的VI性能变化；图8为本申请实施例1与对比例4提供的催化剂制备的膜电极在单片电池在进行催化剂老化性能测试过程的VI性能变化。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。图1为本申请提供的催化剂的制备流程图。请参阅图1，本申请提供一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：S10，制备催化剂前体该催化剂前体包括载体以及负载在载体上的纳米金属颗粒。其可以采用公开号为CN111092235A的微波法进行制备得到。当然，其还可以采用其他方法进行制备，例如：氢气高温还原法等，本申请不做限定。可选地，纳米金属颗粒与载体的质量比为2:8-7:3，作为示例性地，纳米金属颗粒与载体的质量比为2:8、2:7、2:6、2:5、2:4、2:3、3:3、4:3、5:3、6:3或7:3。本申请中，纳米金属颗粒为铂纳米颗粒。在其他实施例中，纳米金属颗粒还可以是铂合金纳米颗粒，铱及其合金纳米颗粒，钌及其纳米合金颗粒等。载体为实心碳载体或孔径大于2nm的多孔碳载体。作为示例性地，载体是实心碳载体，载体是孔径为3-10nm的多孔碳载体，载体是孔径为10-20nm的多孔碳载体，载体为孔径为20-50nm的多孔碳载体，载体是孔径为50-100nm的多孔碳载体。S20，制备覆盖有有机聚合物层的催化剂前体将催化剂前体与聚合物单体溶液混合得到混合物，向混合物中加入引发剂，使聚合物单体发生聚合反应生成覆盖在催化剂前体上的有机聚合物层。本申请实施例中，聚合物单体溶液中的聚合物单体包括吡咯、苯胺和多巴胺中的一种或多种；聚合物单体溶液中的溶剂选自乙醇、四氢呋喃(THF)、去离子水中的其中一种。可选地，聚合物单体质量为催化剂前体质量的0.3％-2.0％；作为示例性地，聚合物单体质量为催化剂前体质量的0.3％、0.5％、1％、1.5％或2.0％。本申请实施例中，引发剂为过氧化氢或/和过硫酸铵。将引发剂添加进入混合物以后，引发剂会促进聚合物单体发生聚合反应，得到有机聚合物，该有机聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n对覆盖有有机聚合物层的催化剂前体进行高温热处理，使所述有机聚合物裂解炭化形成炭化层；其中，所述催化剂前体包括载体以及负载在所述载体上的纳米金属颗粒；/n将表面形成有所述炭化层的所述催化剂前体置于氧化性酸溶液中进行酸处理，以去除所述炭化层。/n

【技术特征摘要】
1.一种催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对覆盖有有机聚合物层的催化剂前体进行高温热处理，使所述有机聚合物裂解炭化形成炭化层；其中，所述催化剂前体包括载体以及负载在所述载体上的纳米金属颗粒；
将表面形成有所述炭化层的所述催化剂前体置于氧化性酸溶液中进行酸处理，以去除所述炭化层。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温热处理是在温度为400-800℃的绝氧条件下处理0.5-3h；
可选地，在温度为400-650℃的条件下处理1-3h。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述绝氧条件为还原气氛或惰性气氛；
可选地，所述还原气氛为氢氩混合气氛或氢氮混合气氛，氢气与氮气或氩气的体积比为1:100-1:4，混合气体的通入速率为2000-15000sccm。


4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述高温热处理在固定床反应器中进行，所述固定床反应器的材质是石英玻璃材质，所述固定床反应器的固定床管径为30-50mm。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米金属颗粒与所述载体的质量比为2:...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玉平，范书琼，周有明，王秀，米诗阳，周佳，张晓华，吴丹，朱威，
申请(专利权)人：江苏擎动新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32