金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用技术

技术编号:36945963 阅读:12 留言:0更新日期:2023-03-22 19:07
本申请提供一种金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用,属于电化学技术领域。该金属间化合物纳米颗粒包括由过渡金属化合物与负载有单质铂的石墨烯发生氧化还原反应,然后进行退火处理形成的金属间化合物纳米颗粒,过渡金属化合物包括乙酰丙酮锌、九水合硝酸铁、氯化钴和乙酰丙酮镍中的一种或多种,金属间化合物纳米颗粒的粒径为2nm~20nm。本申请提供的催化剂能够减少铂的使用量,降低催化剂的成本,同时该催化剂与传统催化剂相比具有较高的催化活性。高的催化活性。高的催化活性。

【技术实现步骤摘要】
金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电化学
,特别是涉及一种金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]当今,世界在应对气候变化的通时,面临的最大挑战之一是对绿色安全的能源需求日益增长。燃料电池作为一种新型绿色能源动力系统,具有能源转化效率高、噪音小、零排放等优势,可以有效地解决能源问题。其中,质子交换膜燃料电池具有能够在低温下快速启动和稳定运行的特点,引起了研究人员的广泛关注。质子交换膜燃料电池中,阴极发生的氧还原反应(ORR)尤为重要,由于其固有的低效率和迟缓的反应动力学,研究人员使用贵金属催化剂以加速ORR反应。传统技术中铂(Pt)是质子交换膜ORR反应中最适宜的催化剂,但是贵金属铂的稀缺性和昂贵性大大限制了燃料电池的大规模商业化进程。

技术实现思路

[0003]基于此,有必要提供一种能够减少铂的使用量、降低催化剂的成本的金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用,同时该催化剂与传统催化剂相比具有较高的催化活性。
[0004]本申请的第一方面,提供一种金属间化合物纳米催化剂,包括石墨烯和负载在所述石墨烯上的金属间化合物纳米颗粒;
[0005]所述金属间化合物纳米颗粒包括由过渡金属化合物与负载有单质铂的石墨烯发生氧化还原反应,然后进行退火处理形成的金属间化合物纳米颗粒,所述过渡金属化合物包括乙酰丙酮锌、九水合硝酸铁、氯化钴和乙酰丙酮镍中的一种或多种,所述金属间化合物纳米颗粒的粒径为2nm~20nm。
[0006]在一些实施方式中,所述金属间化合物纳米催化剂中铂元素的质量百分含量为10%~40%。
[0007]在一些更具体的实施方式中,所述金属间化合物纳米催化剂中铂元素的质量百分含量为10%~20%。
[0008]在一些实施方式中,所述退火处理的工艺条件包括:退火温度500℃~800℃,退火时间1h~3h。
[0009]在一些实施方式中,负载有单质铂的所述石墨烯上还负载有模板剂,所述模板剂包括四乙氧基硅烷。
[0010]本申请的第二方面,提供一种上述金属间化合物纳米催化剂的制备方法,包括如下步骤:
[0011]将所述石墨烯、铂源分散在溶剂中形成混合溶液,调节所述混合溶液的pH至碱性,在保护性气氛中进行第一加热处理,使所述铂源与所述溶剂发生氧化还原反应,反应生成的单质铂负载在所述石墨烯上;
[0012]将表面活性剂、模板剂和反应后的所述混合溶液混合,经洗涤和干燥后,得到第一中间体;
[0013]将所述第一中间体、所述过渡金属化合物和封端剂混合,在保护性气氛中进行第二加热处理,以使所述第一中间体与所述过渡金属化合物发生氧化还原反应,经冷却、洗涤和干燥后,得到第二中间体;
[0014]将所述第二中间体在保护性气氛中进行所述退火处理,以形成所述金属间化合物纳米颗粒。
[0015]在一些实施方式中,所述铂源包括六水合氯铂酸和四氯化铂中的一种或多种,所述溶剂包括乙二醇和去离子水中的一种或多种。
[0016]在一些实施方式中,所述石墨烯、所述溶剂和所述铂源的质量比为27:27:(8~48),所述铂源和所述过渡金属化合物的质量比为2:(1~4)。
[0017]在一些实施方式中,所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵,所述模板剂包括四乙氧基硅烷,所述封端剂包括油胺和油酸。
[0018]在一些实施方式中,所述铂源与所述表面活性剂的质量比为1:(1~5),所述铂源与所述模板剂的质量比为1:(8~40)。
[0019]在一些实施方式中,调节所述溶液的pH至11~14。
[0020]在一些实施方式中,所述第一加热处理的工艺条件包括:加热温度80℃~200℃,保温时间1h~4h。
[0021]在一些实施方式中,所述第二加热处理的工艺条件包括:加热温度200℃~350℃,保温时间0.5h~3h。
[0022]在一些实施方式中,所述退火的温度为500℃~800℃,所述退火的时间为1h~3h。
[0023]本申请的第三方面,提供一种上述金属间化合物纳米催化剂或者上述制备方法制得的金属间化合物纳米催化剂在制备燃料电池中的应用。
[0024]与传统技术相比,上述金属间化合物纳米催化剂及其制备方法和应用至少具有如下优点:
[0025]上述催化剂利用过渡金属化合物与负载有单质铂的石墨烯发生氧化还原反应,然后进行退火处理形成金属间化合物纳米颗粒,从而引入锌、铁、钴和镍中的一种或多种过渡金属,有效降低了铂的使用量,上述金属间化合物纳米颗粒中的铂元素和过渡金属元素具有协同催化效果,并且上述过渡金属化合物与负载在石墨烯上的单质铂反应所形成的金属间化合物纳米颗粒基本没有发生团聚,生成的纳米颗粒具有较小的粒径,使得上述催化剂的催化性能可以优于商业化铂碳催化剂(纯铂)的催化性能,大大降低了催化剂的成本。
附图说明
[0026]图1为本申请实施例1制备的催化剂的扫描电镜图。
[0027]图2为本申请实施例1制备的催化剂的透射电镜图。
[0028]图3为本申请实施例1制备的催化剂线性扫描伏安测试图。
[0029]图4为本申请实施例1和对比例1中催化剂的耐久性测试对比图。
[0030]图5为本申请实施例2和对比例1中催化剂的耐久性测试对比图。
具体实施方式
[0031]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
[0032]在本申请的说明中,除非另有定义,未明确说明的专业术语、专业用词均与本领域技术人员通常理解的含义相同,且为本领域技术人员的公知常识,未明确说明的方法均为本领域技术人员公知的常规方法。本申请中术语“多种”的含义是至少两种,例如两种,三种等,除非另有明确具体的限定。
[0033]本申请中,以开放式描述的技术特征中,包括所列举特征组成的封闭式技术方案,也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
[0034]本申请中,用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围,例如,1至6可以包括1、1.2、1.5、1.7、2、2.6、3、3.8、4、4.4、5或6等,也可以包括1~1.2、1~1.7、2~4.4、3.8~5、4~5.5、5~6等。
[0035]催化剂极大地影响了质子交换膜燃料电池的性能,为了解决传统技术中贵金属铂催化剂成本高和铂稀缺的问题,研究人员投入了大量的时间和精力研究如何降低催化剂中铂的含量,甚至不使用铂作为催化剂,传统的解决方案有以下三种:
[0036]一是通过调控铂晶体的表面结构和晶体结构等,提高铂的催化性能;但是纯铂催化剂会出现长时间使用引起铂中毒、催化性能下降的问题。本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属间化合物纳米催化剂,其特征在于,包括石墨烯和负载在所述石墨烯上的金属间化合物纳米颗粒;所述金属间化合物纳米颗粒包括由过渡金属化合物与负载有单质铂的石墨烯发生氧化还原反应,然后进行退火处理形成的金属间化合物纳米颗粒,所述过渡金属化合物包括乙酰丙酮锌、九水合硝酸铁、氯化钴和乙酰丙酮镍中的一种或多种,所述金属间化合物纳米颗粒的粒径为2nm~20nm。2.根据权利要求1所述的金属间化合物纳米催化剂,其特征在于,所述金属间化合物纳米催化剂中铂元素的质量百分含量为10%~40%。3.根据权利要求1所述的金属间化合物纳米催化剂,其特征在于,所述退火处理的工艺条件包括:退火温度500℃~800℃,退火时间1h~3h。4.如权利要求1~3任一项所述的金属间化合物纳米催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将所述石墨烯、铂源分散在溶剂中形成混合溶液,调节所述混合溶液的pH至碱性,在保护性气氛中进行第一加热处理,使所述铂源与所述溶剂发生氧化还原反应,反应生成的单质铂负载在所述石墨烯上;将表面活性剂、模板剂和反应后的所述混合溶液混合,经洗涤和干燥后,得到第一中间体;将所述第一中间体、所述过渡金属化合物和封端剂混合,在保护性气氛中进行第二加热处理,以使所述第一中间体与所述过渡金属化合物发生氧化还原反应,经冷却、洗涤和干燥后,得到第二中间体;将所述第二中间...

【专利技术属性】
技术研发人员:于帆杜真真王珺王晶李炯利王旭东
申请(专利权)人:北京石墨烯技术研究院有限公司
类型:发明
国别省市:

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