一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂及其制备方法，主要解决铂炭催化剂在启停过程中炭载体腐蚀严重的问题。通过调节热处理过程中的气氛和温度，调控炭载体表面官能团和碳层结构，提高炭载体高电压耐腐蚀性能。与此同时，在铂炭催化剂的制备过程中加入纯化工艺，降低铂炭催化剂杂离子，进一步提高了铂炭催化剂的耐腐蚀性。所得的铂炭催化剂质量活性为：0.41A/mg

【技术实现步骤摘要】
一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于铂炭催化剂制备
，具体涉及一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]低温氢能燃料电池具有高的能量密度和转化效率以及环境友好等优点，已成为最受关注的新能源电动车动力电源之一。在2014年，韩国现代与日本丰田就相继推出了ix35燃料电池车和Miria燃料电池车，燃料电池汽车的技术成熟度也达到了TRL9。但是，七年过去了，在规模巨大的乘用车领域，燃料电池汽车却只占很少的市场份额，这主要原因在于燃料电池的高成本和寿命不足。
[0003]铂基催化剂是燃料电池中最主要的成本之一，其耐久性与燃料电池寿命密切相关。在燃料电池汽车的启停过程中，有氧气从阴极缓慢透过电解质膜到达阳极，当阳极有氧气存在时，会降低阳极电势，导致电池电压增加，造成阴极催化剂炭载体的严重腐蚀，使得担载在炭载体上的铂颗粒发生迁移、团聚，降低催化剂的活性，缩短使用寿命。Chih
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Cheng Hung(J.Power Sources 196(2011)140
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146)通过提高炭载体石墨化度来提高其高电压耐腐蚀性,但是过度石墨化会导致铂颗粒无法担载，降低铂炭催化剂的活性。申请号为200680023234.1的专利将铂颗粒进行800
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1400℃退火处理，降低表面积，虽然提高了铂炭催化剂的稳定性，但是大大降低了铂炭催化剂的活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的问题，以石墨烯为炭载体，通过不同气氛下的高温处理，保留部分羟基官能团的基础上提高炭载体石墨化度，即保证了铂的活性又提高了载体的耐腐蚀性；其次，通过有机溶剂的不同配比，增加了石墨烯的分散，并通过冷冻干燥技术，避免石墨烯在干燥过程中的团聚发生；与此同时，在铂炭催化剂的制备过程中加入纯化工艺，降低铂炭催化剂有害杂离子，进一步提高了铂炭催化剂的耐腐蚀性能。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0006]一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂，兼具高活性和高电压耐久性，其质量活性为0.20～0.41A/mg
Pt
，电化学比表面积为63.5～131.2m2/g，5000圈高电压循环质量活性保持率为42.5～52％，电化学比表面积保持率为64.2～88.0％。
[0007]一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将石墨烯在惰性或还原性气氛下，升温并恒温保持，调控炭载体表面官能团及碳层结构，制备高电压耐腐蚀炭载体；
[0009](2)将高电压耐腐蚀炭载体分散在分散液中，超声后磁力搅拌，得到分散好的炭载体溶液；
[0010](3)将铂前驱体分散在有机溶剂中，搅拌，得到分散好的铂前驱体溶液；
[0011](4)将分散好的铂前驱体溶液全部滴加到分散好的炭载体溶液中，搅拌、调节pH
值，冷却，经过高温油浴热反应，洗涤，干燥处理，在还原性气氛中热还原，得到高电压耐腐蚀铂炭催化剂。
[0012]进一步，所述步骤(1)中惰性或还原性气氛为氮气气氛、氩气气氛、氢气气氛；所述升温并恒温保持具体为：以2℃/min升温速率升温至600～3000℃，恒温保持2～12h。600℃以上，碳层由无序状向有序状转变，石墨化程度增加，提高炭材料耐腐蚀性能。
[0013]进一步，所述步骤(2)中分散液为水与乙二醇的混合溶液，水与乙二醇的体积比为1～5:1。少量加入乙二醇可提高石墨烯的分散性。
[0014]进一步，所述步骤(2)中超声的时间为30min，磁力搅拌的时间为5～8h。通过超声加磁力搅拌，可以充分分散石墨烯，在后续负载过程中，催化剂分布更加均匀。
[0015]进一步，所述步骤(3)中铂前驱体为六水氯铂酸，所述有机溶剂为乙二醇、异丙醇、N
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甲基吡咯烷酮。
[0016]进一步，所述步骤(3)中所述搅拌的时间为2～4h，使得氯铂酸完全离子化，且均匀分布在乙二醇溶液中。
[0017]进一步，所述步骤(4)中将分散好的铂前驱体溶液全部滴加到分散好的炭载体溶液中的滴加速度为1～3mL/s，所述调节pH值使用浓盐酸调节pH值至3～7。在酸性条件下，有利于带正电荷的铂离子与带负电荷的载体吸附,使贵金属分布更加均匀。
[0018]进一步，所述步骤(4)中搅拌的时间为5～8h，所述高温油浴反应的温度为100～160℃，时间为6～10h。乙二醇在100
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160℃具有还原性，6～10小时后完全发挥乙二醇还原性能，可将部分铂离子还原为铂金属。
[0019]进一步，所述步骤(4)中洗涤的具体方法为：使用温度为25～100℃水洗涤铂炭催化剂3～15次，洗涤过程中施加超声或压强；升高水温、施加超声或压强可加速离子运动，提高洗涤效果，去除催化剂中有害的Cl、Fe离子，提高催化剂耐腐蚀性能。
[0020]所述干燥处理的具体方法为：冷冻干燥12
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36h，使用普通的干燥手法会引起石墨烯的团聚，而冷冻干燥可以保证石墨烯的层状结构不被破环，不发生团聚，保证催化剂活性及耐久性；
[0021]所述在还原性气氛中热还原的具体方法为：在氢气气氛中，以升温速率为2℃/min，升温至200～600℃进行还原。温度过高会导致铂颗粒团聚，降低活性，采用200～600℃氢气还原既将铂离子完全还原为铂金属，又不会发生团聚，提高催化剂活性。
[0022]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0023]本专利技术以石墨烯为炭载体，经过热处理、担载铂颗粒、纯化以及热还原处理而成，在炭载体热处理过程中，通过调节反应气氛、反应温度，一方面调控表面官能团的种类和含量，另一方面调节炭载体的石墨化度。在铂炭催化剂的制备过程中加入纯化工艺，降低铂炭催化剂杂离子，制备得到的铂炭催化剂质量活性为：0.20～0.41A/mg
Pt
，电化学比表面积为63.5～131.2m2/g，5000圈高电压循环质量活性保持率为42.5～52％，电化学比表面积保持率为64.2～88.0％。
附图说明
[0024]图1是本专利技术高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备工艺流程；
[0025]图2是本专利技术高电压耐腐蚀铂炭催化剂的透射电镜照片，从图中可以看到铂颗粒
粒径尺寸均一且均匀分散在炭载体表面，良好的分散性保证了铂炭催化剂高的活性；
[0026]图3是本专利技术高电压耐腐蚀铂炭催化剂的循环伏安曲线，从图中可以看到，5000圈高电压循环后的循环伏安曲线与循环前的曲线几乎重合，表明本专利技术的铂炭催化剂具有较高的高电压耐腐蚀性能。
具体实施方式
[0027]实施例1
[0028]如图1所示，本实施例提供了一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0029]1)将石墨烯置于卧式管式炉中，在氢气气氛下，以2℃/min升温速率升温至600℃，恒温2h，调控炭载体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂，其特征在于，所述催化剂的质量活性为0.20～0.41A/mg
Pt
，电化学比表面积为63.5～131.2m2/g，5000圈高电压循环质量活性保持率为42.5～52％，电化学比表面积保持率为64.2～88.0％。2.一种权利要求1所述的高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨烯在惰性或还原性气氛下，升温并恒温保持，调控炭载体表面官能团及碳层结构，制备高电压耐腐蚀炭载体；(2)将高电压耐腐蚀炭载体分散在分散液中，超声后搅拌，得到分散好的炭载体溶液；(3)将铂前驱体分散在有机溶剂中，搅拌，得到分散好的铂前驱体溶液；(4)将分散好的铂前驱体溶液全部滴加到分散好的炭载体溶液中，搅拌、调节pH值，冷却，经过高温油浴热反应，洗涤，干燥处理，在还原性气氛中热还原，得到高电压耐腐蚀铂炭催化剂。3.根据权利要求2所述的一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中惰性或还原性气氛为氮气气氛、氩气气氛、氢气气氛；所述升温并恒温保持具体为：以2℃/min升温速率升温至600～3000℃，恒温保持2～12h。4.根据权利要求2所述的一种高电压耐腐蚀铂炭催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中分散液为水与乙二醇的混合溶液，水与乙二醇的体积比为1～5:1。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈成猛，成家瑶，苏方远，孔庆强，刘卓，陈景鹏，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：