氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池，氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的合金颗粒，所述合金颗粒包括金铜合金核和位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，所述金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，所述金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成所述金铂合金壳。本发明专利技术的氧还原催化剂具有低铂含量、高铂利用率且高效稳定的优点。高铂利用率且高效稳定的优点。高铂利用率且高效稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】
氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，更具体地，涉及氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池。

技术介绍

[0002]随着我国氢燃料电池产业持续发展，催化剂作为燃料电池的核心之一，将面临更高的性能及成本要求。
[0003]在氢燃料电池中，位于电池阴极的氧气还原反应涉及复杂的电子/质子转移过程，具有较高的反应能垒且缓慢的动力学过程，需要高效稳定的氧气还原催化剂来驱动电化学反应高效率进行。
[0004]现有技术中最高效的氧还原催化剂是炭载铂纳米颗粒，但由于铂在自然界储量稀少，导致其成本高昂，不利于燃料电池的商业推广与应用，另外体相铂纳米颗粒只有位于最外层的铂原子参与反应，处于颗粒内部的铂并未被利用。因此，研究开发一种低铂含量、高铂利用率、高效稳定的电催化氧还原催化剂对于燃料电池技术发展和氢能利用都尤为重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种低铂含量、高铂利用率且高效稳定的氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的合金颗粒，所述合金颗粒包括金铜合金核和位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，所述金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，所述金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成所述金铂合金壳。
[0008]本专利技术还公开了一种上述氧还原催化剂的制备方法，包括以下过程：
[0009]将铜盐、金盐、载体和还原剂加入溶剂中，所述还原剂将所述铜盐中的铜离子和所述金盐中的金离子分别还原成铜和金，得到负载在所述载体上的金铜合金核前躯体；
[0010]对所述负载在所述载体上的金铜合金核前躯体进行热处理，所述金铜合金核前躯体的晶格结构由不规则结构形成由金原子密排层和铂原子密排层依次交叉层叠的规则结构，得到负载在所述载体上的金铜合金核；
[0011]将所述负载在所述载体上的金铜合金核和铂盐分散于稀酸溶液中，所述铂盐中的铂离子和所述金铜合金核外表面上的铜原子发生置换反应，所述铜原子被铂原子取代，形成位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，得到所述氧还原催化剂。
[0012]本专利技术还公开了一种燃料电池，包括上述的氧还原催化剂。
[0013]实施本专利技术实施例，将具有如下有益效果：
[0014]本专利技术实施例以金铜合金核为体相，将铂原子位于金铜合金核的外层壳层，降低
铂的含量，以及充分提高铂的利用率。另，本专利技术实施例的合金颗粒能提供高效稳定的电催化性能。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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的附图。
[0016]其中：
[0017]图1是本专利技术一具体实施例的合金颗粒的原子结构示意图，其中，白色原子为Pt，红色原子为Au，黄色原子为Cu。
[0018]图2是本专利技术一具体实施例的金铜合金核的原子结构示意图，其中，红色原子为Au，黄色原子为Cu。
[0019]图3是分别在200℃和300℃下进行热处理得到的合金颗粒的原子结构示意图。
[0020]图4是实施例1制得的负载在载体上的金铜合金核(O
‑
AuCu/C)和最终产品氧还原催化剂(O
‑
AuCu@Pt/C)、以及对比例1制得的负载在载体上的金铜合金核(D
‑
AuCu/C)和最终产品氧还原催化剂(D
‑
AuCu@Pt/C)的XRD图谱。
[0021]图5中a是实施例1制得的金铜合金核的高角度环形暗场
‑
高分辨透射电子显微图像，b是对a图沿箭头所指方向进行图像颜色识别所得到的距离和颜色强度的关系图。
[0022]图6是实施例1制得的氧还原催化剂(O
‑
AuCu@Pt/C)的TEM mapping图谱，其中，a图为铂、金、铜元素叠加图谱，b图为铂元素图谱，c图为金元素图谱，d图为铜元素图谱。
[0023]图7是氧还原催化剂的氧气还原反应性能对比图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]本专利技术公开了一种氧还原催化剂，参考图1和图2，包括载体和负载在载体上的合金颗粒，合金颗粒包括金铜合金核和位于金铜合金核外表面的金铂合金壳，参考图2，金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，金、铜原子有序排列，金铜合金核的晶格结构为四方结构，参考图1，金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成金铂合金壳，铂原子替代铜原子后未改变晶格结构，即金铂合金壳的晶体结构与金铜合金核的晶格结构相同，金铂合金壳中金、铂原子也是有序排列。
[0026]本专利技术的催化剂颗粒以金铜合金核为体相，将铂原子位于金铜合金核的外层壳层，降低铂的含量，以及充分提高铂的利用率。另，本专利技术实施例的合金颗粒能提供高效稳定的电催化性能。
[0027]在一具体实施例中，金铜合金核的分子式为：Au
x
Cu
y
，x＝1，y＝1，金铂合金壳的分子式为：Au
m
Pt
n
，m＝1，n＝1。
[0028]在一具体实施例中，载体包括炭材料。具体的，炭材料可以是各种型号炭黑(例如科琴黑、BP2000、Vulcan
‑
72炭黑等)、石墨烯、碳纳米管、石墨等。
[0029]本专利技术还提供了一种上述氧还原催化剂的制备方法，包括以下过程：
[0030]1)将铜盐、金盐、载体和还原剂加入溶剂中，还原剂将铜盐中的铜离子和金盐中的金离子分别还原成铜和金，得到负载在载体上的金铜合金核前躯体。
[0031]本步骤采用共沉淀法制备金铜合金核前躯体，铜盐、金盐应为在溶剂中可电离出铜离子和金离子的盐。铜盐主要为二价铜盐，具体的，铜盐可以包括氯化铜、硫酸铜和硝酸铜等中的一种或两种以上，金盐包括氯金酸、氯金酸盐等。
[0032]在一具体实施例中，还原剂包括硼氢化钠和/或氰基硼氢化钠等。
[0033]在一具体实施例中，溶剂包括乙二醇、甲醇和乙醇中的一种或两种以上。
[0034]在一具体实施例中，得到负载在载体上的金铜合金核前躯体的具体过程为：
[0035]将铜盐加入溶剂中，在保护气氛下，将金盐继续加入溶剂中，得到混合物，并将混合物置于冰浴中，向混合物中加入还原剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧还原催化剂，其特征在于，包括载体和负载在所述载体上的合金颗粒，所述合金颗粒包括金铜合金核和位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，所述金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，所述金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成所述金铂合金壳。2.根据权利要求1所述的氧还原催化剂，其特征在于，所述金铜合金核的分子式为：Au
x
Cu
y
，x＝1，y＝1；所述金铂合金壳的分子式为：Au
m
Pt
n
，m＝1，n＝1。3.根据权利要求1或2所述的氧还原催化剂，其特征在于，所述载体包括炭材料。4.一种如权利要求1～3中任意一项所述的氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下过程：将铜盐、金盐、载体和还原剂加入溶剂中，所述还原剂将所述铜盐中的铜离子和所述金盐中的金离子分别还原成铜和金，得到负载在所述载体上的金铜合金核前躯体；对所述负载在所述载体上的金铜合金核前躯体进行热处理，所述金铜合金核前躯体的晶格结构由不规则结构形成由金原子密排层和铂原子密排层依次交叉层叠的规则结构，得到负载在所述载体上的金铜合金核；将所述负载在所述载体上的金铜合金核和铂盐分散于稀酸溶液中，所述铂盐中的铂离子和所述金铜合金核外表面上的铜原子发生置换反应，所述铜原子被铂原子取代，形成位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，得到所述氧还原催化剂。5.根据权利要求4所述的氧还原催化剂，其特征在于，所述热处理的温度为220℃～400℃。6.根据权利要求5所述的氧还原催化剂，其特征在于，在所述热处理过程中，向所述负载在所述载体上的金铜合金核前躯体施加氢气和惰性气体的混合气氛，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李寒煜，郑欣，邱方程，王琦玥昕，刘荣海，郭新良，何运华，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：