一种三元铂基金属间化合物及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于质子交换膜燃料电池阴极材料领域，公开了一种三元铂基金属间化合物及其制备方法与应用

【技术实现步骤摘要】
一种三元铂基金属间化合物及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池阴极材料的
，更具体地，涉及一种三元铂基金属间化合物及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]化石能源作为一种不可再生能源，储量日益减少，但是人们对此的需求却有增无减，且过度燃烧化石能源所带来的环境危机也引起人们的高度重视
。
质子交换膜燃料电池
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell
，
PEMFC)
具有能量转换效率高，产物为水，绿色清洁，低温快速启动的优点，有望在未来中取代内燃机，被誉为是
21
世纪最伟大的清洁技术之一
。
[0003]尽管具有以上优点，但是质子交换膜燃料电池仍然无法被大规模商业化应用，原因包括成本高昂
、
活性和稳定性不够
。
目前商业上所用质子交换膜电池催化剂为商业铂碳催化剂，但是
Pt
作为一种贵金属，储量稀少，价格昂贵，且商业铂碳催化剂不能满足活性和稳定性的要求，即质量活性达到
0.44AmgPt
‑1，
30000
圈循环之后质量活性损失小于
30
％
。
[0004]为了解决质子交换膜电池催化剂成本高昂
、
活性和稳定性不足的问题，最常用的方法是将
Pt
与过渡金属形成合金，但是过渡金属在酸性环境中容易从催化剂中溶解脱出，大大降低催化剂稳定性
。
如何抑制过渡金属的溶解，提高催化剂的稳定性成为一个至关重要的问题
。
[0005]大量研究表明，与无序固溶体相比，结构有序
Pt
基催化剂
(
即金属间化合物
)
原子有序排列，具有更低的生成焓和更强的原子相互作用，因此具有更高的稳定性
。
加上当膜电极组件中的
Pt
载量控制在一定量时，高载量
Pt
基催化剂的使用带来了更薄的催化剂层，从而降低了高电流密度下的传质阻力并促进了全电池性能
。
但是金属间化合物的形成一般需要高温退火
(
一般大于
600℃)
以克服从无序到有序转变的原子扩散势垒，而这不可避免的会导致颗粒粒径增大，尺寸分布不均匀，尤其是当铂质量分数超过
20
％时，控制粒径变得更加困难
。
因此寻找一种制备具有适当粒径的高载量铂基金属间纳米晶的方法对于大规模生产至关重要
。
[0006]目前合成铂基合金的方法主要有有机溶剂热法
、
浸渍还原法等
。
其中有机溶剂热法可以产生单分散
、
粒径分布均匀且组成尺寸可调的
Pt
基纳米粒子，但是有机溶剂价格高且具有毒性，对环境和人体都不友好
。
浸渍还原法通过在还原性气氛中退火，直接还原金属前驱体盐，无需其他还原剂，并且不涉及任何有机溶剂，对环境友好经济，且适合大规模制备
。
但是浸渍还原法制备的有序纳米颗粒一般分布不均匀，很容易发生团聚长大现象，不利于提铂基的利用效率
。
[0007]因此，亟需开发对环境友好
、
成本低的催化剂对于促进燃料电池阴极氧还原的大规模商业化生产及推动燃料电池技术的应用十分重要
。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种三元铂基金属间化合物及其制备方法与应用，通过采用水系铂碳改造方法，将高载量铂碳作为种子，过渡金属前驱体均匀的分布在铂种子周围，且进一步引入镓作为第三种元素，制备三元有序纳米晶
。
通过上述方法制备的催化剂的活性和耐久性大大优于商业碳铂催化剂，且合成工艺简单，节能减排，成本低廉，易于批量生产
。
[0009]为实现上述目的，在本专利技术的第一方面，提供了一种三元铂基金属间化合物的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)
将碳载铂纳米颗粒
、
过渡金属盐以及镓盐溶于乙醇和水的混合溶剂中形成混合溶液，并调节所述混合溶液为碱性，加热得到铂
‑
过渡金属氢氧化物
‑
镓氢氧化物复合物的固体粉末；
[0011](2)
将步骤
(1)
得到的固体粉末置于还原性气氛中进行退火，使过渡金属离子和镓离子还原成金属单质，并使铂
、
过渡金属和金属镓相互扩散，得到三元铂基金属间化合物
。
[0012]作为本专利技术的优选，在所述步骤
(1)
中，所述碳载铂纳米颗粒粒径为
1nm
‑
5nm
；铂占所述碳载铂纳米颗粒质量分数的
20
％
‑
60
％，优选
30
‑
60
％
。
[0013]作为本专利技术的优选，在所述步骤
(1)
中，铂，所述过渡金属盐和所述镓盐的摩尔比为：
(40
‑
50)
：
(35
‑
55)
：
(5
‑
30)。
[0014]作为本专利技术的优选，在步骤
(2)
中，所述退火的升温速率为5‑
10℃/min
，加热温度为
350
‑
550℃
，加热时间为1‑
5h。
[0015]作为本专利技术的优选，所述过渡金属盐的过渡金属为铁
、
钴或镍；所述过渡金属盐为醋酸盐
、
乙酰丙酮盐
、
硝酸盐
、
氯化盐中的至少一种
。
[0016]作为本专利技术的优选，所述镓盐包括乙酰丙酮镓
、
氯化镓
、
硝酸镓中的至少一种
。
[0017]在本专利技术的第二方面，根据第一方面的方法制备制得的三元铂基金属间化合物，所述三元铂基金属间化合物为有序相
。
[0018]作为本专利技术的优选，所述三元铂基金属间化合物的粒径为
3nm
‑
6nm。
[0019]作为本专利技术的优选，所述三元铂基金属间化合物中的铂的质量分数比为
30
％
‑
60
％；所述三元铂基金属间化合物中的铂，过渡金属和金属镓的物质之量的比为
(40
‑
50)
：
(35
‑
55)
：
(5
‑
30)。
[0020]在本专利技术的第三方面，根据本专利技术第二方面提供的三元铂基金属间化合物的应用，用于构建质子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三元铂基金属间化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将碳载铂纳米颗粒
、
过渡金属盐以及镓盐溶于乙醇和水的混合溶剂中形成混合溶液，并调节所述混合溶液为碱性，加热得到铂
‑
过渡金属氢氧化物
‑
镓氢氧化物复合物的固体粉末；
(2)
将步骤
(1)
得到的固体粉末置于还原性气氛中进行退火，使过渡金属离子和镓离子还原成金属单质，并使铂
、
过渡金属和金属镓相互扩散，得到三元铂基金属间化合物
。2.
根据权利要求1所述的一种三元铂基金属间化合物的制备方法，其特征在于，在所述步骤
(1)
中，所述碳载铂纳米颗粒粒径为
1nm
‑
5nm
；铂占所述碳载铂纳米颗粒质量分数的
20
％
‑
60
％，优选
30
％
‑
60
％
。3.
根据权利要求1所述的一种三元铂基金属间化合物的制备方法，其特征在于，在所述步骤
(1)
中，铂，所述过渡金属盐和所述镓盐的摩尔比为：
(40
‑
50)
：
(35
‑
55)
：
(5
‑
30)。4.
根据权利要求1所述的一种三元铂基金属间化合物的制备方法，其特征在于，在步骤
(2)
中，所述退火的升温速率为5‑

【专利技术属性】
技术研发人员：李箐，李伊萍，梁嘉顺，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：