铂碳催化剂及其制备方法和应用以及氢燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，本发明专利技术还公开了采用该铂碳催化剂的氢燃料电池。所述制备方法包括将碳质原料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，得到第一分散体，调节第一分散体的pH值调节为8

【技术实现步骤摘要】
铂碳催化剂及其制备方法和应用以及氢燃料电池


[0001]本专利技术涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，本专利技术还涉及采用所述铂碳催化剂的氢燃料电池。

技术介绍

[0002]氢燃料电池是在催化剂的作用下将氢气和氧气反应产生的化学能直接转化为电能的一种新能源技术，其反应过程中所使用的催化剂是目前研究领域的热点。
[0003]目前商业化的催化剂是碳载铂基催化剂，文献报道了很多制备碳载铂催化剂的方法，主要分为物理法和化学法。物理法包括离子溅射、热蒸发和物理气相沉积等，物理方法制备简单，但制备的纳米颗粒相对较大，不适合用来制备碳载铂基催化剂；而化学合成纳米金属粒子是目前实验室和工业上也经常用到的方法，主要分为液相还原法、胶体法、浸渍法、离子交换法等，这些方法主要包括形成纳米粒子的化学反应和将粒子担载到载体上两个步骤。但是反应过程或多或少会涉及到有害的反应试剂，且合成的纳米粒子粒径不均一，分散性差，或是粒径合适但与碳载体结合力不够导致稳定性差。
[0004]硼氢化钠作为一种常用的还原剂，用来还原制备Pt/C型催化剂的常因为其强还原性，反应速度快，得到的Pt颗粒粒径较大，分散不均匀而导致电化学活性较差。
[0005]化学还原法制备碳载铂基催化剂是目前较常用的实验方法，反应条件易操作，制备的金属颗粒粒径可控。在催化剂工业化生产的道路上还需要保证在催化金属粒径小的前提下，优化其分散性，这又需要进一步优化实验条件，简化生产过程，减少有毒试剂的使用，才能进一步推动燃料电池的工业化进程。

技术实现思路
r/>[0006]本专利技术的目的在于克服采用硼氢化钠作为还原剂制备铂碳催化剂的方法存在的不足，提供一种铂碳催化剂及其制备方法，根据本专利技术的方法制备的铂碳催化剂中，金属铂颗粒的粒径均匀，在载体上的分散性好，显示出提高的催化活性。
[0007]根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种铂碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1、将碳质原料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，得到第一分散体，所述分散介质为二元醇和水，所述二元醇与水的体积比为1：0.1
‑
10，所述铂前驱体相对于所述分散介质的用量为0.1
‑
6mg/mL，所述络合剂与铂前驱体的摩尔比为10
‑
200：1，其中，铂前驱体的摩尔浓度为C0，步骤S1得到的第一分散体的液相中的铂的摩尔浓度为C1，C1/C0＜0.5；
[0009]S2、将所述第一分散体的pH值调节为8
‑
14，得到第二分散体；
[0010]S3、将还原剂添加到所述第二分散体中，使所述还原剂与所述第二分散体中的铂前驱体在0
‑
100℃接触进行还原反应，所述还原剂为含硼还原剂。
[0011]根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了由本专利技术第一个方面所述的方法制备的
铂碳催化剂。
[0012]根据本专利技术的第三个方面，本专利技术提供了本专利技术第二个方面所述的铂碳催化剂在燃料电池中的应用。
[0013]根据本专利技术的第四个方面，本专利技术提供了一种氢燃料电池，该氢燃料电池的阳极和/或阴极含有第二个方面所述的铂碳催化剂。
[0014]采用本专利技术的方法制备的铂碳催化剂，金属铂颗粒的粒径小且均匀，在载体上的分散性好。根据本专利技术的铂碳催化剂显示出提高的催化性能，其中，本专利技术的铂碳催化剂的本征活性接近或超过0.3mA
·
cm
‑2，电化学活性面积接近或超过60m2·
g
‑1，均优于同类型商业Pt/C催化剂。根据本专利技术的铂碳催化剂的制备方法反应条件温和，温度较低，适合于工业化生产。
附图说明
[0015]图1为实施例1所制备的碳负载铂催化剂的TEM图。
[0016]图2为实施例1所制备的碳负载铂催化剂与70％铂载量商业催化剂在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、1600rpm下的线性扫描图。
[0017]图3A为实施例1制备的铂碳催化剂的X射线光电子能谱图，图3B为商业化铂碳催化剂的X射线光电子能谱图。
[0018]图4为实施例2所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
[0019]图5为实施例3所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
[0020]图6为实施例4所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
[0021]图7为实施例5所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
[0022]图8至图14依次为实施例6至实施例12所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
[0023]图15至图19依次为对比例1至对比例5所制备的碳负载铂催化剂采用氧还原RDE在氧气饱和的0.1M HClO4、扫速10mV s
‑1、旋转圆盘电极转速为1600rpm下的线性扫描图。
具体实施方式
[0024]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0025]根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种铂碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0026]S1、将碳质原料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，得到第一分散体；
[0027]S2、将所述第一分散体的pH值调节为8
‑
14，得到第二分散体；
[0028]S3、将还原剂添加到所述第二分散体中，使所述还原剂与所述第二分散体中的铂前驱体在0
‑
100℃接触进行还原反应，所述还原剂为含硼还原剂。
[0029]步骤S1中，所述分散介质为二元醇和水。所述二元醇是指分子结构中含量两个羟基(
‑
OH)的醇，可以为小分子醇，也可以为聚合二元醇。优选地，所述二元醇为乙二醇和/或聚乙二醇。从进一步提高最终制备的铂碳催化剂的电化学催化活性的角度出发，所述二元醇为乙二醇。
[0030]根据本专利技术的方法，水与二元醇的体积比为0.1
‑
10：1，例如可以为0.1：1、0.2：1、0.3：1、0.4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铂碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、将碳质原料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，得到第一分散体，所述分散介质为二元醇和水，所述二元醇为聚乙二醇和/或乙二醇，水与所述二元醇的体积比为0.1
‑
10：1，所述铂前驱体相对于所述分散介质的用量为0.1
‑
6mg/mL，所述络合剂与铂前驱体的摩尔比为10
‑
200：1，其中，铂前驱体的摩尔浓度为C0，步骤S1得到的第一分散体的液相中的铂的摩尔浓度为C1，C1/C0＜0.5；S2、将所述第一分散体的pH值调节为8
‑
14，得到第二分散体；S3、将还原剂添加到所述第二分散体中，使所述还原剂与所述第二分散体中的铂前驱体在0
‑
100℃接触进行还原反应，所述还原剂为含硼还原剂。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S1中，所述络合剂与铂前驱体的摩尔比为12
‑
70：1；优选地，步骤S1中，水与所述二元醇的体积比为0.2
‑
6：1，优选为0.2
‑
0.6：1。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤S1中，所述络合剂为乙酸钠、甲酸钠、乙酸钾、乙酸铵、柠檬酸、柠檬酸钠、柠檬酸钾、酒石酸、苹果酸、乙二酸四乙酸、丙二酸和丁二酸中的一种或两种以上；优选地，所述络合剂为柠檬酸钠、甲酸钠和乙酸钠中的一种两种以上。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的方法，其中，步骤S1中，所述铂前驱体为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、氯铂酸铵、乙酰乙酮铂和乙酰丙酮铂中的一种或两种以上。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的方法，其中，步骤S1中，所述二元醇为乙二醇和/或聚乙二醇。6.根据权利要求1
‑
5中任意一项所述的方法，其中，步骤S1中，所述碳质原料为导电碳黑...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭茜，顾贤睿，王厚朋，张家康，赵红，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：