一种燃料电池铂稀土催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池铂稀土催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括：(1)将铂、稀土金属和基底金属混合，然后进行熔炼和吸铸，得到三元合金前驱体；(2)将步骤(1)所述三元合金前驱体进行脱合金，得到所述燃料电池铂稀土催化剂。本发明专利技术通过将铂、稀土金属和基底金属进行熔炼、吸铸和脱合金处理制备燃料电池铂稀土催化剂，降低了贵金属铂的用量，改善了催化剂的表面形态，促进了催化剂表面孔的生成，提升了含有铂和稀土金属的催化剂的催化性能和稳定性，制备方法简单易行，有利于实现规模化生产。模化生产。模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池铂稀土催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种燃料电池铂稀土催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着化石燃料能源消耗的不断增加，资源枯竭、气候变化、环境破坏等严重的社会和生态问题受到广泛关注，因此，发展可持续能源技术迫在眉睫。氢能是一种具有高燃烧热值和能量转换效率的可持续能源，而氢燃料电池则是氢能利用的重要途径，因此，发展氢燃料电池技术是未来能源发展的大趋势。然而，此技术的局限性在于高成本的燃料电池催化剂，并且目前市售的商业铂碳催化剂也存在催化效率低、成本高、稳定性差等问题。因此，开发具有高催化性能高稳定性的低铂氢燃料电池催化剂是一种重要的解决方案。
[0003]为了实现这一目标，科研工作者尝试了许多方法，例如(Ⅰ)将不同比例的Pt与Cu进行合金化和热处理后得到了多孔结构的燃料电池催化剂，在降低铂含量的同时其氧还原催化性能显著提高(Advanced functional materials，2013，23，4156
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4162)；(Ⅱ)将Pt与Fe、Co、Ni三种金属通过有机相还原法按照1:3的原子比进行合金化，得到Pt作为壳，Pt
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Fe/Co/Ni合金作为核结构的有序合金，Pt含量明显降低且质量活性(Mass Activity，MA)为商用铂碳催化剂的五倍，在经历10000圈电势循环后，MA仅降低9％，显示出优异的稳定性(Advanced functional materials，2019，29，1902987)；(Ⅲ)将Pt与Cu利用磁控溅射法进行合金化，得到免碳载体的PtCu合金催化剂颗粒，并且展示出优异的氧还原催化性能(Journal of power sources，2019，413，432
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440)。由于铂与过渡金属合金化可以移动铂的d
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带中心，有效降低合金催化剂表面的氧结合能，从而增强氧还原性能，因此，铂基合金催化剂不仅可以有效降低铂用量，还可以增强催化剂的氧还原催化性能。在众多过渡金属中，稀土金属由于具有更低的电负性使得合金更加稳定(Nature communications，2009，1，552
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556)，且Mar
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a Escudero
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Escribano利用电极溅射法合成Pt和稀土金属(Y、La、Tb、Gd、Sm等)的合金纳米颗粒发现，铂稀土合金催化剂具有极高的活性和稳定性(Science，2016，352，73
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76)。因此，铂稀土合金催化剂的开发利用是一种有效降低铂含量和提高催化性能的重要方法。
[0004]目前，合成铂稀土合金的方法大多为磁控溅射法(Chemical Communications，2011，47，11414
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11416)、固态热处理法(Journal of materials chemistry A，2016，4，12232
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12240)、熔融盐还原法(The Journal of American Chemical Society，2017，139，5672
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5675)等，合成步骤复杂，过程繁琐，导致制备成本较高，不利于大规模工业化生产。因此，寻找简单易行的合成方法以实现工业化规模制备具有重大意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池铂稀土催化剂及其制备方法和应用。本专利技术通过将铂、稀土金属和基底金属进行熔炼、吸铸和脱合金处理
制备燃料电池铂稀土催化剂，降低了贵金属铂的用量，改善了催化剂的表面形态，促进了催化剂表面孔的生成，提升了含有铂和稀土金属的催化剂的催化性能和稳定性，制备方法简单易行，有利于实现规模化生产。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种燃料电池铂稀土催化剂的制备方法，所述制备方法包括：
[0008](1)将铂、稀土金属和基底金属混合，然后进行熔炼和吸铸，得到三元合金前驱体；
[0009](2)将步骤(1)所述三元合金前驱体进行脱合金，得到所述燃料电池铂稀土催化剂。
[0010]现有技术中，常用的合成铂稀土合金的方法为磁控溅射法、固态热处理法、熔融盐还原法或有机相还原法，上述合成方法工艺复杂，制备成本较高，不利于大规模生产。
[0011]本专利技术将铂、稀土金属和基底金属进行熔炼、吸铸和脱合金处理制备燃料电池铂稀土催化剂，制备方法简单易行，降低了贵金属铂的用量，通过调控催化剂的表面形态，促进了催化剂表面孔的生成，进一步提高了催化剂的比表面积，配合吸铸工艺，增强了催化剂的催化性能和稳定性。
[0012]本专利技术采用的铂、基底金属、稀土金属来源广泛，且制备工艺简单，容易控制，有利于实现规模化生产。
[0013]优选地，所述铂、稀土金属和基底金属的摩尔比为x:y:(100
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x
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y)，其中，1≤x<100，例如可以是1、3、5、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90或95等，1≤y<100，例如可以是1、3、5、8、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90或95等。
[0014]优选地，10≤x+y≤20，例如可以是10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20等。
[0015]优选地，所述铂和稀土金属的摩尔比为x:y＝(3～5):1，例如可以是3:1、3.1:1、3.2:1、3.5:1、3.8:1、4:1、4.2:1、4.5:1、4.8:1或5:1等。
[0016]本专利技术中，通过调节铂、稀土金属和基底金属的比例，并配合吸铸工艺，能够进一步控制燃料电池铂稀土催化剂的形态，促进催化剂表面孔的生成，提高催化剂的比表面积，实现了催化性能和稳定性的显著提升，在本专利技术的优选范围内，催化剂的性能提升最显著。
[0017]优选地，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是钪和钇的组合，钇和镧的组合，铈和镨的组合，钕、钷和钐的组合，铕、钆、铽、镝、钬和铒的组合，或钪、钇、镧、铈、镨和钕的组合等。
[0018]优选地，所述基底金属包括铝、铜、锌、铍或钡中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是铝和铜的组合，锌和铍的组合，铍和钡的组合，铝、铜和锌的组合，铝、铜、锌、铍和钡的组合等。
[0019]优选地，步骤(1)所述熔炼前，还对所述熔炼的装置进行抽真空和注入氩气处理。
[0020]优选地，所述抽真空至
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0.05～
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0.1MPa，例如可以是
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0.05MPa、
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0.06MPa、
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0.07MPa、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池铂稀土催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将铂、稀土金属和基底金属混合，然后进行熔炼和吸铸，得到三元合金前驱体；(2)将步骤(1)所述三元合金前驱体进行脱合金，得到所述燃料电池铂稀土催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铂、稀土金属和基底金属的摩尔比为x:y:(100
‑
x
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y)，其中，1≤x<100，1≤y<100；优选地，10≤x+y≤20。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述铂和稀土金属的摩尔比为x:y＝(3～5):1。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述基底金属包括铝、铜、锌、铍或钡中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1
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4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述熔炼前，还对所述熔炼的装置进行抽真空和注入氩气处理；优选地，所述抽真空至
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0.05～
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0.1MPa；优选地，步骤(1)所述熔炼后、吸铸前，还对所述熔炼得到的块体进行破碎，破碎所得颗粒的平均粒径为0.5～4μm；优选地，步骤(1)所述吸铸前，还对所述吸铸的装置进行抽真空和注入氩气处理。6.根据权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆军，李晨浩，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：