铂镍金合金纳米催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了铂镍金合金纳米催化剂的制备方法。该方法包括以下步骤：(1)配制金属离子混合液：将氯铂酸、氯金酸和镍盐溶于水，调节pH值至9以上；(2)配制炭黑浆料：将炭黑分散于水和乙二醇的混合溶液中；(3)将金属离子混合液加入炭黑浆料中，混匀，加热反应，产物过滤洗涤干燥；(4)将步骤(3)得到的产物分散于水和乙醇的混合溶液中，加入镍盐，混匀后浓缩干燥，得到固体；(5)将步骤(4)得到的固体先用氢气高温还原，再用高氯酸溶液洗涤，得到铂镍金合金纳米催化剂。与现有技术相比，本发明专利技术方法操作简单，可规模化生产制备均匀负载的铂镍金合金纳米催化剂，所制备的催化剂具有良好的电催化活性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
铂镍金合金纳米催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池用催化剂领域，具体涉及铂镍金合金纳米催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池以氢能作为燃料，具有体积小、重量轻、能量转化效率高、无环境污染、原料来源广泛、续航里程长的优点，有广阔的应用前景，被认为是最具有商业价值的燃料电池。
[0003]质子交换膜燃料电池主要由膜电极、端板、流场板和外电路组成。其中，膜电极由气体扩散层、催化剂和质子交换膜组成，是燃料电池的核心部件。电极反应也在此处发生。电池的两级反应式如下：
[0004]阳极反应：H2→
2H
+
+2e
‑
[0005]阴极反应：4H
+
+4e
‑
+O2→
2H2O
[0006]总反应：2H2+O2→
2H2O
[0007]这个反应是自发反应，但反应速率极慢，受到反应动力学的限制，需要使用铂、钯等贵金属作为催化剂来改善动力学性能。然而目前使用的铂催化剂成本高，限制了质子交换膜燃料电池的商业发展。因此，研制更高活性的催化剂是促进质子交换膜燃料电池商业应用的关键步骤。
[0008]传统的商用Pt/C催化剂成本高、长期运行导致催化剂团聚长大、碳载体在高温高酸的工作环境下发生腐蚀、质子交换膜的化学降解等一系列问题制约了质子交换膜燃料电池的商业化应用，其中，催化剂本身成本高是制约质子交换膜燃料电池发展的主要因素。将一些相对廉价的过渡金属引入纯铂催化剂形成合金能相对降低铂的使用量，而且能够调整铂的电子结构，降低d带中心，提高催化剂的电催化活性。在合金催化剂中掺入高稳定性的金金属，可提高催化剂的稳定性。但复杂的合金动力学以及Au与其它贵金属(如:Pt,Ru,Rh)或过渡族金属(如:Fe,Co,Ni)的体相热力学不相容性，使得PtAuM(M＝Fe,Co,Ni)三元合金材料的构建极具挑战。

技术实现思路

[0009]基于上述现有技术，本专利技术的目的在于提供一中铂镍金合金纳米催化剂的制备方法。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]铂镍金合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)配制金属离子混合液：将氯铂酸、氯金酸和镍盐溶于水，调节pH值至9以上；
[0013](2)配制炭黑浆料：将炭黑分散于水和乙二醇的混合溶液中；
[0014](3)将金属离子混合液加入炭黑浆料中，混匀，加热反应，产物过滤洗涤干燥；
[0015](4)将步骤(3)得到的产物分散于水和乙醇的混合溶液中，加入镍盐，混匀后浓缩
干燥，得到固体；
[0016](5)将步骤(4)得到的固体先用氢气高温还原，再用高氯酸溶液洗涤，得到铂镍金合金纳米催化剂。
[0017]优选地，所述铂镍金合金纳米催化剂的Pt载量为40wt％以上。
[0018]更优选地，Pt载量为40wt％～50wt％。
[0019]优选地，步骤(1)中，金属离子混合液中氯铂酸的浓度为1～3wt％。
[0020]优选地，氯铂酸、氯金酸和镍盐按Pt、Ni、Au原子比为3:2～6:0.1～1.5投料。其中，步骤(1)投入2/3的镍盐，步骤(4)投入剩余的镍盐。
[0021]步骤(1)加入镍盐的目的是使得镍与铂一同在乙二醇溶液中被还原；步骤(4)加入镍盐的目的是在高温还原过程中抑制铂镍金合金颗粒长大，从而提高催化剂活性。
[0022]更优选地，Pt、Ni、Au原子比为3:3:0.1。
[0023]优选地，所述镍盐为硝酸镍或氯化镍。
[0024]优选地，步骤(2)中，水和乙二醇的质量比为0.1～1:1，炭黑的浓度为0.1～1wt％。乙二醇即是溶剂，又是还原剂。
[0025]更优选地，水和乙二醇的质量比为0.3～0.4:1，炭黑的浓度为0.4～0.5wt％。
[0026]优选地，步骤(3)中，采用微波反应器加热反应，温度为180～190℃，时间3～10min。采用微波反应器可增加成核速率、缩短反应时间，可以很好的辅助制备催化剂。
[0027]步骤(3)得到的产物在水和乙醇混合溶液中能获得良好的分散性，优选地，水和乙醇的质量比为0.5～3:5，更优选地，水和乙醇的质量比为1～2:5。
[0028]优选地，步骤(5)中，氢气高温还原的温度为600～800℃，时间为1～3h。
[0029]高温还原后，会有部分Ni未能与Pt形成合金，用高氯酸溶液洗涤则起到将这部分未合金化的Ni溶解去掉的作用。
[0030]有益效果
[0031]与现有技术相比，本专利技术方法操作简单，可规模化生产制备均匀负载有序的铂镍金合金纳米催化剂，所制备的催化剂具有良好的电催化活性。
附图说明
[0032]图1为Pt3Ni3Au
0.1
/C的XRD图谱与Pt的PDF卡片；
[0033]图2为Pt3Ni3Au
0.1
/C的循环伏安图；
[0034]图3为Pt3Ni3Au
0.1
/C的半电池线性扫描图。
[0035]图4为Pt3Ni3Au
0.1
/C的透射电镜(TEM)图。
具体实施方式
[0036]以下结合附图及实施例对本专利技术的技术方案做进一步详细。
[0037]铂镍金合金纳米催化剂的制备过程如下：
[0038]将氯铂酸水溶液、氯金酸水溶液和三分之二的硝酸镍溶于水中超声分散10
‑
20min；加入适量NaOH溶液，调节pH值到9，得到金属离子混合液，氯铂酸浓度为2wt％；
[0039]将炭黑ECP
‑
600超声均匀分散到水和乙二醇质量比为0.37:1的混合溶液中，超声分散20min，得到炭黑浆料，炭黑浓度为0.45wt％；
[0040]将上述金属离子混合液逐滴滴入炭黑浆料中，超声分散至均匀，得到前驱液，其中，氯铂酸中铂的质量与炭黑ECP
‑
600的质量比为1:1；
[0041]将前驱液放入微波反应器加热至186℃，反应5min，冷却至90℃取出，过滤洗涤干燥；
[0042]将干燥后的样品在水和乙醇质量比为1:5的混合溶液中超声分散20min，加入剩余的Ni(NO3)2超声分散1h，在水浴中70℃下蒸至光滑稠状，取出后置于60℃下烘干过夜，得到黑色固体；
[0043]将黑色固体研磨后置于高温管式炉中(升温速度5℃/min)，使用5vol.％的氢氮混合气进行还原(温度700℃，时间2h)，得到PtNiAu催化剂粗品；
[0044]取0.1g催化剂粗品放入25mL 0.1mol
·
L
‑1的高氯酸溶液中，60℃油浴2h，过滤洗涤干燥，得到炭载PtNiAu催化剂，从TEM图可以看出，炭黑上负载的PtNiAu合金分布均匀有序。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.铂镍金合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)配制金属离子混合液：将氯铂酸、氯金酸和镍盐溶于水，调节pH值至9以上；(2)配制炭黑浆料：将炭黑分散于水和乙二醇的混合溶液中；(3)将金属离子混合液加入炭黑浆料中，混匀，加热反应，产物过滤洗涤干燥；(4)将步骤(3)得到的产物分散于水和乙醇的混合溶液中，加入镍盐，混匀后浓缩干燥，得到固体；(5)将步骤(4)得到的固体先用氢气高温还原，再用高氯酸溶液洗涤，得到铂镍金合金纳米催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铂镍金合金纳米催化剂的Pt载量为40wt％以上；优选地，Pt载量为40wt％～50wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，金属离子混合液中氯铂酸的浓度为1～3wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：氯铂酸、氯金酸和镍盐按Pt、Ni、Au原子比为3:2～6:0.1～1.5投料；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾军，韩梦飞，黄应贺，黄润生，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：