间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将铂盐、过渡金属盐、非金属源、碳载体和溶剂混合，得到混合物；步骤S2，将混合物通过微波加热进行反应，反应后，离心洗涤并真空干燥，得到催化剂前驱体；步骤S3，对催化剂前驱体进行退火和后处理，得到间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂。该催化剂包括含有金属单原子位点的碳载体和负载其上的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒，间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒由Pt、三种及以上过渡金属元素和掺杂于铂合金晶格间隙位的一种非金属元素组成，具有面心立方结构。并且该催化剂具有出众的活性和稳定性，应用于燃料电池能大幅提升电池性能。提升电池性能。提升电池性能。

【技术实现步骤摘要】
间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池催化剂
，具体涉及非金属元素掺杂于高熵铂合金晶格间隙位的高效催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，阴极氧还原反应(ORR)的过电位较大，需要大量使用活性高和稳定性好的催化剂。目前，碳载的铂(Pt)纳米催化剂是ORR最常用且有效的催化剂，但其居高不下的价格和电堆载量(35g/100kW)是阻碍PEMFC进一步推广的重要原因。面向2030年燃料电池的性能目标(铂载量5g/100kW,9kW/L)，能同时满足催化剂活性和稳定性双重要求的催化剂仍凤毛麟角。因此，亟需设计出一种活性和稳定性同时得到大幅提升的催化剂。
[0003]目前已证明将Pt与3d过渡金属合金化是提高催化剂活性从而降低Pt使用量的有效方法。其中，含有五种及以上元素的高熵合金催化剂已被发现具有比一般合金更佳的性能。一方面，由随机多元素混合而成的复杂原子构型可以提供多种吸附位点和近乎连续的结合能分布模式，从而可能打破传统火山曲线关系的限制；另一方面，由于不同元素间的尺寸差异和由此产生的晶格畸变，可以有效阻碍过渡金属的溶出，从而提高稳定性。然而熵稳定效应难以完全抵挡化学浸出和电化学氧化还原，在电化学反应中高熵催化剂仍然存在明显的表面重构和转化，导致性能的下降，因此需要进一步提高高熵合金的电化学稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术面向2030年燃料电池的性能目标(铂载量5g/100kW,9kW/L)，聚焦于寻求同时大幅提升催化剂活性和稳定性的策略，提供了一种非金属元素掺杂于高熵铂合金晶格间隙位的性能特异催化剂，及其制备方法和应用。本专利技术在高熵合金的基础上，额外引入轻质非金属元素，掺杂于铂合金晶格间隙位，通过金属
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非金属d
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p电子轨道耦合效应，以及间隙位非金属原子的应变效应，进一步强化催化剂的活性和稳定性。并且本专利技术所提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法工艺简便、可宏量化，所制得催化剂一致性好，相较于业内铂基催化剂具备显著优势。
[0005]本专利技术提供了一种间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
[0006]步骤S1，将铂盐、过渡金属盐、非金属源、碳载体以及溶剂进行混合，得到混合物；
[0007]步骤S2，将混合物通过油浴加热或微波加热进行反应，完成反应后，离心洗涤并真空干燥，得到催化剂前驱体；
[0008]步骤S3，对催化剂前驱体依次进行退火和后处理，得到间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂，
[0009]其中，步骤S1中进行混合时，先将铂盐、过渡金属盐和非金属源超声溶解在溶剂
中，随后加入碳载体超声分散得到混合物，
[0010]步骤S1中，溶剂为酰胺类溶剂，
[0011]步骤S2中，混合物通过微波加热进行反应时，反应温度为120℃
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200℃，反应时间为0.5h
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4h，
[0012]步骤S3中，后处理包括酸洗、洗涤和真空干燥，
[0013]间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂包括含有金属单原子位点的碳载体和负载于碳基底的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒，
[0014]间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒由Pt、三种及以上3d过渡金属元素和掺杂于铂合金晶格间隙位的一种非金属元素组成，具有面心立方(fcc)结构，粒径为2
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8nm。
[0015]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S1中，铂盐为六水合氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、乙酰丙酮铂中的任意一种，
[0016]过渡金属盐为过渡金属的氯化盐、氯酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐、醋酸盐中的任意一种或至少两种的组合，优选地，过渡金属盐的种类选自Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Co、Cr、Al、W任意三种及以上的组合。
[0017]非金属源为氮源、氟源、硼源中的任意一种，碳载体为碳黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合，溶剂为甲酰胺、N
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N二甲基甲酰胺、N
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N二甲基乙酰胺中的任意一种。
[0018]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：氮源包括吡哌酸、4
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氨基安替比林、3
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氨基吡唑、尿酸中的任意一种或两种以上的组合，氟源包括四氟对苯二腈、聚偏氟乙烯、三氟乙腈、氟化铵中的任意一种或两种以上的组合，硼源包括乙硼烷、硼酸、四硼酸、偏硼酸中的任意一种或两种以上的组合。
[0019]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S1中，铂盐与过渡金属盐的摩尔比为(1
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2)：1，且两种以上的过渡金属盐以等摩尔量投入。
[0020]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S2中，混合物通过油浴加热进行反应时，反应温度为160℃
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230℃，反应时间为8h
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16h。
[0021]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S3中进行退火时，先在预定气氛下以400℃
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600℃保温2h
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4h，再自然冷却至室温，预定气氛为惰性气体和还原气体的混合气，还原气体的体积占比为10％
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20％，惰性气体为氮气、氩气、氦气或氪气中的任意一种或者至少两种的组合，还原气体包括氢气。
[0022]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：步骤S3中进行酸洗时，使用的酸溶液为高氯酸、硫酸和硝酸中的任意一种，进行酸洗时的温度为60℃
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80℃，进行酸洗的时间的为6h
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12h，酸溶液的摩尔浓度为0.2mol/L
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1.5mol/L，步骤S3中进行洗涤时采用的溶剂为去离子水。
[0023]本专利技术还提供了一种间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂，具有这样的特征，由上述间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法制备得到。
[0024]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂中，还可以具有这样的特征：间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂中，金属载量为20％
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40％，其中Pt载量为10％
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20％。
[0025]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂，还可以具有这样的特征：非金属元素位于高熵合金颗粒晶格的四面体/八面体间隙位。
[0026]在本专利技术提供的间隙位非金属元素掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，将铂盐、过渡金属盐、非金属源、碳载体以及溶剂进行混合，得到混合物；步骤S2，将所述混合物通过微波加热进行反应，完成反应后，离心洗涤并真空干燥，得到催化剂前驱体；步骤S3，对所述催化剂前驱体依次进行退火和后处理，得到间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂，其中，步骤S1中进行混合时，先将所述铂盐、所述过渡金属盐和所述非金属源超声溶解在所述溶剂中，随后加入所述碳载体超声分散得到所述混合物，步骤S1中，所述溶剂为酰胺类溶剂，步骤S2中，所述混合物通过微波加热进行反应时，反应温度为120℃
‑
200℃，反应时间为0.5h
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4h，步骤S3中，所述后处理包括酸洗、洗涤和真空干燥，所述间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂包括含有金属单原子位点的碳载体和负载于碳基底的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒，所述间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金颗粒由Pt、三种及以上过渡金属元素和掺杂在铂合金晶格间隙位的一种非金属元素组成，粒径为2
‑
8nm。2.根据权利要求1所述的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法，其特征在于：其中，步骤S1中，所述铂盐为六水合氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、乙酰丙酮铂中的任意一种，所述过渡金属盐为过渡金属的氯化盐、氯酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐、醋酸盐中的任意一种或至少两种的组合，所述非金属源为氮源、氟源、硼源中的任意一种，所述碳载体为碳黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合，所述溶剂为甲酰胺、N
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N二甲基甲酰胺、N
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N二甲基乙酰胺中的任意一种。3.根据权利要求2所述的间隙位非金属元素掺杂的高熵铂合金催化剂的制备方法，其特征在于：其中，所述氮源包括吡哌酸、4
‑
氨基安替比林、3
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氨基吡唑、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韬，高鹏宇，李军建，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：