一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法，制备方法包括如下步骤：采用水蒸汽增湿的氩气对碳载体进行高温热处理，通过对烧损率大小的调控来调整碳载体的孔径分布等孔隙结构；再对上述预处理的碳材料，再通过高纯空气的高温热处理，通过空气中的氧气高温氧化碳材料来实现碳载体表面的含氧官能团的调控及孔隙内部的亲疏水特性等化学性质。上述独特的分段热处理工艺设计，能够改变碳载体的孔隙结构与化学性质，显著地增加了碳载体与合金颗粒的锚定作用，提升两者的结合力及催化剂的亲水性；所得到的铂合金催化剂，具有良好的初始活性与颗粒耐久。该制备技术具有工艺过程绿色，一致性好，可推广到工业化应用等优点。业化应用等优点。业化应用等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法
[0001]本申请主张，2022年7月24日已申请的，申请号为202210872834.6的专利申请的优先权。


[0002]本专利技术属于电化学能源领域，具体涉及一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法，尤其是增强铂合金颗粒与载体锚定作用的制备技术及应用。

技术介绍

[0003]碳载体的孔隙结构与化学性质对于燃料电池催化剂的活性与稳定性有着非常关键的影响。根据国际纯粹化学与应用化学联盟(IUPAC)的分类标准，碳材料的孔结构可分为微孔(＜2nm)、中孔(2nm
‑
50nm)、大孔(＞50nm)。对于燃料电池，传统的碳载体一般采用炭黑、碳管等，对应的孔径分布主要在＜2nm范围的微孔，催化剂颗粒与碳载体之间的电子结构差异较大，两者间的作用力基本是来自弱相互作用等。催化剂颗粒与载体之间的相互作用对于燃料电池催化剂的活性与稳定性有着非常关键的影响。特别是对于合金催化剂，活性组分的颗粒粒径一般要比传统铂碳催化剂颗粒大，且合金颗粒的粒度分布更不均匀，其与碳载体表面的结合度更低。因此，合理设计与调控碳载体的结构与元素组成，开发新型碳载体材料，可以增加碳载体与活性组分之间的锚定作用。
[0004]有鉴于此，本专利提出了创新性的多孔碳制备技术，显著增加碳材料在5nm
‑
10nm范围的孔径分布，并调控碳载体孔隙内外的含氧官能团，目标是增强碳载体与所负载铂合金颗粒的锚定作用，以进一步提升合金催化剂的活性与颗粒耐久性等电池性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中问题，提供一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法。
[0006]本方面提供了一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其制备方法包括如下步骤：首先采用水蒸汽增湿的氩气对碳载体进行高温热处理，通过对烧损率大小的调控来调整碳载体的孔径分布等孔隙结构；再对上述预处理的碳材料，再通过高纯空气的高温热处理，通过对碳载体的含氧官能团的调控来改善表面及孔隙内部的亲疏水特性等化学性质。上述独特的分段热处理工艺设计，能够改变碳载体的孔隙结构与化学性质，显著地增加了碳载体与合金颗粒的锚定作用，提升两者的结合力及催化剂的亲水性；所得到的铂合金催化剂，具有良好的初始活性与颗粒耐久。该制备技术具有工艺过程绿色，一致性好，可推广到工业化应用等优点。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009]S1、将惰性气体预热后进行加湿处理，将碳材料在增湿后的保护气体中热处理来
进行造孔反应，热处理结束后切换到干燥的保护气体中进行快速冷却来终止造孔反应，得到孔隙结构改善后的碳材料A；
[0010]S2、将碳材料A在空气气氛下进行热处理，得到含氧官能团已调控后的碳材料B；
[0011]S3、将上述得到的碳材料B分散得到分散液C；将过渡金属的盐溶液加入到分散液C中，加热形成碳浆料，然后在保护气体中热处理，得到复合材料D；
[0012]S4、将复合材料D制备成分散溶液，加入铂分散液，搅拌加热，得到复合材料F；
[0013]S5、将得到复合材料F，在氢氩混合气下加热，然后在惰性气体中热处理，得到复合材料G；然后在HNO3溶液中进行脱合金处理，即得到催化剂铂合金。
[0014]优选地，步骤S1中惰性气体预热的温度为80
‑
90℃，预热时间为1
‑
2h。
[0015]优选地，所述保护气体为惰性气体或氮气。所述惰性气体包括氩气、氦气、氖气中一种或多种。惰性气体为高纯气体。
[0016]优选地，步骤S1中增湿后的惰性气体的相对湿度为50％～100％。
[0017]优选地，步骤S1中所述碳材料为炭黑、活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、导电石墨中的至少一种。所述碳材料的粒度D50为10nm
‑
20μm。
[0018]优选地，步骤S1中，所述热处理的温度为600
‑
1000℃，热处理的时间为1
‑
72h。碳材料烧损率为50％～60％。热处理的温度优选为600
‑
950℃。
[0019]优选地，步骤S1中冷却的速率为4
‑
6℃/m/n。快速冷却采用的方式为风冷。快速冷却可停止烧损反应。
[0020]优选地，步骤S1中，所述孔隙结构改善后的碳材料A中，5nm
‑
10nm的过渡孔分布比例为10％～60％。2
‑
4nm的微孔的分布比例为30％～90％。其中，高温水蒸气对碳材料产生刻蚀作用从而产生孔隙结构，其对应的孔径分布的控制主要是通过对热处理温度与热处理时间的控制来实现的；温度过高，时间过长会导致孔隙结构破坏；温度过低，时间过短会导致孔隙结构不明显。
[0021]优选地，步骤S2中，所述热处理的温度为400
‑
600℃，热处理的时间为0.5
‑
12h。碳材料A热处理后再经过水洗、过滤、干燥后得碳材料B。热处理可使空气中的氧气高温氧化碳材料A表面和孔隙。
[0022]优选地，步骤S3中分散是使用超声与高速搅拌相结合的分散方式。分散溶剂为去离子水。
[0023]优选地，步骤S3中，盐溶液包括硝酸盐、氯化物、硫酸盐、醋酸盐、碳酸盐溶液中的至少一种。过渡金属包括钴、锰、镍、铁、钯、金、铜、铬、铱中一种或多种。过渡金属优选为钴。
[0024]优选地，步骤S3中，所述加热的温度为60
‑
150℃，加热时间为2
‑
4h。
[0025]优选地，步骤S3中，所述热处理的温度为200
‑
900℃，热处理的时间为0.5
‑
72h。热处理前先将碳浆料烘干、球磨。
[0026]优选地，步骤S4中，所述铂分散液为含有铂的硝酸盐、氯化物、硫酸盐、醋酸盐、碳酸盐的分散液中的至少一种。
[0027]优选地，步骤S4中，金属铂与过渡金属的摩尔比(3
‑
5)：1。
[0028]优选地，步骤S4中，分散溶剂包括乙二醇、丙三醇、季戊四醇中的至少一种；所述加热的温度为90
‑
160℃，加热时间为4
‑
8h。加热后再经过滤、干燥、球磨，得到复合材料F
[0029]优选地，步骤S5中，氢氩混合气为含有氢气的体积分数5％
‑
50％的氢氩混合气或
氢氮混合气；所述热处理的温度为600
‑
900℃，热处理的时间为1
‑
12h；所述脱合金处理的温度为60
‑
100℃，脱合金的时间为1
‑
72h。脱合金处理可提高催化剂表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强载体锚定作用的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1、将惰性气体预热后进行加湿处理，将碳材料在增湿后的保护气体中热处理来进行造孔反应，热处理结束后切换到干燥的保护气体中进行快速冷却来终止造孔反应，得到孔隙结构改善后的碳材料A；S2、将碳材料A在空气气氛下进行热处理，得到含氧官能团已调控后的碳材料B；S3、将上述得到的碳材料B分散得到分散液C；将过渡金属的盐溶液加入到分散液C中，加热形成碳浆料，然后在保护气体中热处理，得到复合材料D；S4、将复合材料D制备成分散溶液，加入铂分散液，搅拌加热，得到复合材料F；S5、将得到复合材料F，在氢氩混合气或氢氮混合气下加热，然后在惰性气体中热处理，得到复合材料G；然后在HNO3溶液中进行脱合金处理，即得到催化剂铂合金。2.根据权利要求1所述的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中惰性气体预热的温度为80
‑
90℃，预热时间为1
‑
2h。3.根据权利要求1所述的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述碳材料为炭黑、活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、导电石墨中的至少一种。4.根据权利要求1所述的燃料电池用合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述热处理的温度为600
‑
1000℃，热处理的时间为1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴若飞，朱凤鹃，吴爱明，郑文，
申请(专利权)人：上海唐锋能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：