碳包覆铂合金纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电催化领域，公开了一种碳包覆铂合金纳米材料及其制备方法和应用。该方法包括如下步骤：(1)前驱体制备：将含有金属前驱体、碳源和溶剂的均相溶液中的溶剂除去，得到前驱体材料，其中，所述金属前驱体包括铂源和镍源，所述碳源为酸性有机还原剂；(2)焙烧：在还原性气氛中，将步骤(1)得到的前驱体材料进行高温热解，得到热解产物，其中，所述高温热解的温度为400

【技术实现步骤摘要】
碳包覆铂合金纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化领域，具体涉及碳包覆铂合金纳米材料及其制备方法、催化剂及其制备方法，以及该碳包覆铂合金纳米材料和催化剂在燃料电池中的应用。

技术介绍

[0002]燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的装置，因其具有能量转化效率高、能量密度高、启动快、污染小等优点，被认为是理想的清洁能源技术。燃料电池主要包含的反应为：阳极的氧化反应(例如：氢气氧化HOR，H2→
2H
+
+2e
‑
，甲醇氧化MOR等)和阴极的氧还原反应(ORR，O
2+
4H
+
+4e
‑
→
2H2O)。由于阴极氧还原反应涉及多电子的得失，其动力学反应速率比阳极氧化反应缓慢。因此，阴极氧还原反应的速率是影响燃料电池性能的关键因素。目前，高效的阴极催化剂依赖于贵金属铂，但是铂的价格昂贵，使得催化剂成本约占燃料电池总成本的40％左右；并且，在长循环过程中，铂的团聚和溶解造成铂的电化学活性面积随时间下降明显，影响燃料电池的寿命。
[0003]目前，阴极催化剂的研究方向之一是采用碳包覆铂合金纳米材料，一方面铂合金催化剂可以提高本征活性和铂的利用率，降低贵金属铂的用量；另一方面，碳笼包覆层可以抑制在长循环过程中金属的团聚和溶解，从而提高稳定性。Zou Shouzhong等(ACS Appl.Energy Mater.2019,2,2769
‑
2778)报道了采用2
‑
甲基咪唑作为有机配体和碳源，首先采用溶剂热法形成类MOF结构的2
‑
甲基咪唑
‑
Pt
‑
Ni复合材料，然后进行热退火处理，制备了碳包覆铂镍纳米材料，该制备方法步骤复杂，而且所用的有机配体成本高，难以进行大规模生产。CN112467155A报道了首先采用液相还原法合成出油胺包覆的铂纳米粒子，然后铂纳米粒子与科琴黑混合，经过高温预交联、碳化、活化，制备出碳包覆铂催化剂的方法，该制备方法过程仍然较为繁琐。因此，需要开发一种工艺简单、成本低廉的方法制备碳包覆铂合金催化剂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种碳包覆铂合金纳米材料及其制备方法、催化剂及其制备方法，以及该碳包覆铂合金纳米材料和催化剂在燃料电池中的应用，该制备方法工艺简单、成本低廉，原料选择范围广，得到的纳米材料具有良好的电化学性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种碳包覆铂合金纳米材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0006](1)前驱体制备：将含有金属前驱体、碳源和溶剂的均相溶液中的溶剂除去，得到前驱体材料，其中，所述金属前驱体包括铂源和镍源，所述碳源为酸性有机还原剂；
[0007](2)焙烧：在还原性气氛中，将步骤(1)得到的前驱体材料进行高温热解，得到热解产物，其中，所述高温热解的温度为400
‑
1100℃；
[0008](3)酸洗：将步骤(2)得到的热解产物与酸溶液接触反应，然后依次进行固液分离、
洗涤和干燥。
[0009]优选地，步骤(1)中，所述碳源为柠檬酸、抗坏血酸、乙二胺四乙酸、2,5
‑
吡啶二羧酸、苯甲酸和对苯二甲酸中的一种或多种。
[0010]优选地，步骤(1)中，所述铂源为氯铂酸、醋酸四氨合铂、乙酰丙酮铂和氯化铂中的一种或多种。
[0011]优选地，步骤(1)中，所述镍源为乙酸镍、六水合二氯化镍、乙酰丙酮镍、碱式碳酸镍和硫酸镍中的一种或多种。
[0012]优选地，步骤(1)中，以金属元素计的所述金属前驱体与所述碳源的摩尔比为1：0.5
‑
5。
[0013]优选地，步骤(1)中，以铂计的所述铂源与以镍计的所述镍源的摩尔比为1：0.5
‑
20，优选为1：1
‑
10。
[0014]优选地，步骤(1)中，所述金属前驱体还包含钴源和/或钼源；优选地，所述钴源为硫酸钴、碳酸钴和草酸钴中的一种或多种；优选地，所述钼源为钼酸铵、钼酸钠和钼酸钾中的一种或多种。
[0015]优选地，步骤(1)中，以铂计的所述铂源与以钴计的所述钴源的摩尔比为1：0
‑
0.1，以铂计的所述铂源与以钼计的所述钼源的摩尔比为1：0
‑
0.1。
[0016]优选地，步骤(1)中，所述溶剂为水、醇类溶剂和N,N
‑
二甲基甲酰胺中的一种或多种。
[0017]优选地，步骤(1)中，所述醇类溶剂为乙醇。
[0018]优选地，步骤(2)中，所述还原性气氛包括氢气或一氧化碳，优选为氢气或一氧化碳与惰性气体的混合气氛，更优选为氢气和氮气的混合气氛。
[0019]优选地，步骤(2)中，氢气或一氧化碳占气体总量的5
‑
30体积％。
[0020]优选地，步骤(2)中，所述高温热解的升温速率为2
‑
10℃/min。
[0021]优选地，步骤(2)中，所述高温热解的恒温时间为1
‑
6h。
[0022]优选地，步骤(3)中，所述酸溶液为硫酸溶液、硝酸溶液和盐酸溶液中的一种或多种。
[0023]优选地，步骤(3)中，相对于步骤(2)得到的热解产物中的镍元素1mol，所述酸溶液的用量以H
+
计为2mol以上。
[0024]优选地，步骤(3)中，所述酸溶液为硫酸溶液时，酸浓度为0.5
‑
2mol/L，接触反应的温度为25
‑
90℃；所述酸溶液为硝酸溶液时，酸浓度为0.5
‑
15mol/L，接触反应的温度为25
‑
60℃；所述酸溶液为盐酸溶液时，酸浓度为0.5
‑
2mol/L，接触反应的温度为25
‑
90℃。
[0025]优选地，步骤(3)中，接触反应的时间为3
‑
50h，优选为3
‑
24h。
[0026]本专利技术第二方面提供利用上述本专利技术第一方面的制备方法得到的碳包覆铂合金纳米材料。
[0027]优选地，所述纳米材料中，碳含量为10
‑
50重量％，铂含量为10
‑
70重量％，镍含量为5
‑
70重量％，钴含量为0
‑
5重量％，钼含量为0
‑
5重量％，氢含量为0.1
‑
3重量％，氧含量为0.5
‑
20重量％。
[0028]优选地，所述碳包覆铂合金纳米材料具有以铂合金颗粒为内核、碳层为壳层的核壳结构。
[0029]优选地，所述铂合金颗粒的粒径为3
‑
100nm。
[0030]本专利技术第三方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆铂合金纳米材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)前驱体制备：将含有金属前驱体、碳源和溶剂的均相溶液中的溶剂除去，得到前驱体材料，其中，所述金属前驱体包括铂源和镍源，所述碳源为酸性有机还原剂；(2)焙烧：在还原性气氛中，将步骤(1)得到的前驱体材料进行高温热解，得到热解产物，其中，所述高温热解的温度为400
‑
1100℃；(3)酸洗：将步骤(2)得到的热解产物与酸溶液接触反应，然后依次进行固液分离、洗涤和干燥。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述碳源为柠檬酸、抗坏血酸、乙二胺四乙酸、2,5
‑
吡啶二羧酸、苯甲酸和对苯二甲酸中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述铂源为氯铂酸、醋酸四氨合铂、乙酰丙酮铂、氯铂酸盐和氯化铂中的一种或多种；优选地，所述镍源为乙酸镍、六水合二氯化镍、乙酰丙酮镍、碱式碳酸镍、碳酸镍和硫酸镍中的一种或多种。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(1)中，以金属元素计的所述金属前驱体与所述碳源的摩尔比为1：0.5
‑
5；优选地，以铂计的所述铂源与以镍计的所述镍源的摩尔比为1：0.5
‑
20，优选为1：1
‑
10。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述金属前驱体还包含钴源和/或钼源；优选地，所述钴源为硫酸钴、碳酸钴、草酸钴和氯化钴中的一种或多种；优选地，所述钼源为钼酸铵、钼酸钠和钼酸钾中的一种或多种；优选地，以铂计的所述铂源与以钴计的所述钴源的摩尔比为1：0
‑
0.1，以铂计的所述铂源与以钼计的所述钼源的摩尔比为1：0
‑
0.1。6.根据权利要求1
‑
5中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述溶剂为水、醇类溶剂和N,N
‑
二甲基甲酰胺中的一种或多种；优选地，所述醇类溶剂为乙醇。7.根据权利要求1
‑
6中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述还原性气氛包括氢气或一氧化碳，优选为氢气或一氧化碳与惰性气体的混合气氛，更优选为氢气和氮气的混合气氛；优选地，氢气或一氧化碳占气体总量的5
‑
30体积％。8.根据权利要求1
‑
7中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述高温热解的升温速率为2
‑
10℃/min；优选地，所述高温热解的恒温时间为1
‑
6h。9.根据权利要求1
‑
8中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(3)中，所述酸溶液为硫酸溶液、硝酸溶液和盐酸溶液中的一种或多种；优选地，相对于步骤(2)得到的热解产物中的镍元素1mol，所述酸溶液的用量以H
+
计为2mol以上；优选地，所述酸溶液为硫酸溶液时，酸浓度为0.5
‑
2mol/L，接触反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云阁，荣峻峰，张家康，吴耿煌，彭茜，谢南宏，
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：