一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂及其制备方法与应用技术

一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂及其制备方法与应用，将铂前驱体、非贵金属前驱体和氮碳前驱体以及碳载体分散在溶剂中；将混合溶液搅拌蒸干；将蒸干后的粉末高温煅烧；将煅烧后的物质酸处理，离心并干燥；将干燥后的粉末进行二次高温煅烧，降温后即得。催化剂包括铂基金属间纳米颗粒和催化剂载体。催化剂应用于燃料电池的阴极氧还原反应和质子交换膜燃料电池器件膜电极中。所制备的催化剂颗粒尺寸均一且高度分散；制备流程简便高效；催化剂具有高温耐烧结性质；制备方法稳定可实现高负载量制备和批量生产；可通过改变金属前驱体实现多种Pt基金属间催化剂的合成；催化剂在旋转圆盘电极上和燃料电池膜电极上均展现出优异的催化性能。出优异的催化性能。出优异的催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料技术与燃料电池催化剂领域，尤其是涉及一种金属氮碳稳定合成的铂基金属间燃料电池催化剂及在燃料电池的阴极氧还原反应和质子交换膜燃料电池器件膜电极上的应用。

技术介绍

[0002]燃料电池作为一种存储介质，是将化学能转化为电能的新型能源技术，表现出更高的能量密度、低成本和更低的安全风险等优势。燃料电池在缓解碳排放和能源危机方面显示出巨大的潜力。铂基纳米材料是目前最优的燃料电池催化剂，但其受成本和耐久性的制约。基于此，开发高活性和高稳定性的铂基纳米材料是推动燃料电池大规模商业化应用的有效途径。
[0003]Pt基催化剂在燃料电池中是唯一一种在酸性介质中表现出良好性能和耐久性的金属催化剂。在当前发表的学术论文中，研究人员通过合成具有明确组成、尺寸和几何结构的铂基催化剂发现其在旋转圆盘电化学测试中表现出优异的质量活性，但是在质子交换膜燃料电池膜电极上所测的质量活性远不如半电池反应。这是由于在多数制备的铂基催化剂中，为了防止高温颗粒团聚或形成特殊的形貌结构引入了各种的大分子，覆盖了催化剂的活性位点，导致燃料电池性能下降。因此，发展一种清洁便利的Pt基催化剂合成策略是提升催化活性的有效途径。此外，燃料电池在使用过程中存在的耐久性问题也是制约燃料电池发展的重要因素。燃料电池的稳定性问题，主要是由于催化剂在长时间运行过程中颗粒尺寸发生迁移、团聚和金属溶解等现象，导致催化剂的活性面积降低从而使燃料电池质量活性下降。因此，提高Pt催化剂的长期耐久性问题也是目前研究的重点。
[0004]研究表明将Pt与过渡金属形成高度有序的金属间催化剂是提高催化活性和稳定性的有效途径。因为过渡金属的引入形成的配体效应和应变效应，能够显著改变Pt的电子结构，能够有效减弱对含氧物种的吸附，从而提升燃料电池的催化性能。同时有序的原子排列结构能够暴露出更多的活性位点，也存在强的d
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d轨道相互作用，使得具有更强的催化稳定性。此外，催化剂颗粒尺寸大小也显著影响催化活性，而合成有序金属间结构是在高温下克服动力学能垒，促进固相中原子的迁移和重排，这会导致颗粒尺寸难以得到有效的控制。因此，制备高度分散和尺寸均一的金属间催化剂是依旧存在巨大的挑战。
[0005]目前，国内主要采用的是田中贵金属(TANAKA)和庄信万丰(Johnson Matthey)的催化剂，而国内燃料电池催化剂活性与国际先进水平存在较大的差距。因此，在该研究背景下，探索一种简便、安全、高效的制备方法，在制备高度分散和尺寸均一的有序金属间催化剂的同时，避免纳米颗粒高温烧结造成活性表面损失在目前的研究中极为重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种金属氮碳稳定Pt基金属
间燃料电池催化剂的制备方法，该制备方法利用氮修饰的碳载体上负载Pt基金属间，可实现批量化生产，得到颗粒尺寸均一的纳米粒子催化剂，进而有效提升铂基催化剂的活性并在催化过程中限制颗粒的迁移、团聚等问题。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将铂前驱体、非贵金属前驱体和氮碳前驱体以及碳载体加入到溶剂中；
[0010]S2、将上述混合物进行超声混合均匀；
[0011]S3、将混合溶液进行搅拌蒸干；
[0012]S4、将蒸干后的粉末进行煅烧；
[0013]S5、将煅烧后的物质进行酸处理，离心分离并干燥；
[0014]S6、将干燥后的粉末进行二次煅烧，降温后获得催化剂。
[0015]在步骤S1中，所述的Pt前驱体为乙酰丙酮铂、氯铂酸中的一种，非贵金属为锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铟中的至少一种；金属氮碳前驱体选自酞菁锰、酞菁铁、酞菁锡、酞菁镍、酞菁铜、酞菁锌中的至少一种；铂前驱体与金属前驱体的摩尔比可为5:1～1:1，铂前驱体的质量可为0.02～8g；催化剂载体可根据需要调整，调整范围为0.025～5g；碳载体为碳纳米管、科琴黑、Vulcan XC
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72中的至少一种。
[0016]步骤S4中，煅烧温度为500～950℃，煅烧时间为1～10h。
[0017]步骤S5中，所述的酸可为硫酸、硝酸、盐酸中的一种，浓度为0.1～5mol/L，离心的次数为1～5次；干燥的温度可为50～100℃，干燥的时间可为1～24h。
[0018]步骤S6中，所述的二次煅烧温度为200～600℃。
[0019]本专利技术还提供所述一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法制备的催化剂；所述催化剂包括铂与非贵金属形成的金属间纳米颗粒和氮修饰的碳载体，所述金属间纳米颗粒负载在氮修饰的碳载体上。
[0020]所述催化剂可应用于燃料电池的阴极氧还原反应和质子交换膜燃料电池器件膜电极中。
[0021]相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：
[0022]1、本专利技术采用固相法制备，制备工艺简便，氮碳修饰可稳定颗粒尺寸，实现高温下超小颗粒制备。
[0023]2、本专利技术方法可自由实现批量制备，且不影响颗粒尺寸和金属间相。
[0024]3、本专利技术方法可实现高负载量铂合金，且不影响颗粒尺寸和金属间相，克服了颗粒迁移和团聚机制、Ostwald熟化机制。
[0025]4、本专利技术方法在合成上具有一定的普适性，采用不同的金属前驱体与铂能够形成多组分铂基金属间以及多元金属间的制备。
[0026]5、本专利技术方法在实现催化活性提高的同时具备一定的普适性。
[0027]6、本专利技术方法制备的催化剂在燃料电池测试过程中避免了颗粒的团聚和减弱金属溶出，具有优异的稳定性。
附图说明
[0028]图1为实施例1和例3～5中不同铂基纳米催化剂的透射电子显微镜图；
[0029]图2为实施例1和例3～5中不同铂基纳米催化剂的X射线衍射图；
[0030]图3为实施例6中锡氮碳铂钴纳米催化剂的X射线衍射图和透射电子显微镜图；
[0031]图4为实施例7中锰氮碳铂钴纳米催化剂的X射线衍射图和透射电子显微镜图；
[0032]图5为实施例3中铂钴纳米催化剂的透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜和元素分布图；
[0033]图6为实施例1和例3～5中不同铂基纳米催化剂在旋转圆盘测试中的线性扫描伏安曲线以及电化学质量活性柱状图；
[0034]图7为实施例9中多元铂基金属间纳米催化剂X射线衍射图和透射电子显微镜图。
[0035]图8为实施例8中二元铂基金属间纳米催化剂X射线衍射图和透射电子显微镜图。
[0036]图9为实施例3中催化剂反应前后的透射电子显微镜图。
具体实施方式
[0037]下面将结合本专利技术具体实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将铂前驱体、非贵金属前驱体和氮碳前驱体以及碳载体加入到溶剂中；S2、将步骤S1的混合物超声；S3、将步骤S2超声后的混合物搅拌加热蒸干；S4、将步骤S3蒸干后的物质煅烧；S5、将S4煅烧后的物质进行酸处理，离心洗涤，干燥；S6、将干燥后的粉末进行二次煅烧，降温后获得催化剂。2.如权利要求1所述的一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，Pt前驱体为乙酰丙酮铂、氯铂酸中的一种，非贵金属为锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铟中的至少一种。3.如权利要求1所述的一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述氮碳前驱体选自酞菁锰、酞菁铁、酞菁锡、酞菁镍、酞菁铜、酞菁锌中的至少一种。4.如权利要求1所述的一种金属氮碳稳定Pt基金属间燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，铂前驱体与非金属前驱体的摩尔比为5:1～1:1，铂前驱体的质量为0.02～8g；催化剂载体根据需要调整，调整范围为0.025～5g。...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小青，黄忠亮，战长宏，刘良斌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：