[发明专利]一种Pt-Au@Pt核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，尤其涉及一种Pt-AuPt核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

贵金属Pt在自然界中储量非常有限，大量使用贵金属Pt使得燃料电池的商业化应用因催化剂资源问题受到限制。另外，采用纯Pt作为燃料电池阴极催化剂存在燃料电池阴极性能低和稳定性较差的问题。虽然目前Pt与3d过渡金属Fe、Co、Ni、Cu等形成的合金可以在一定程度上提高燃料电池阴极性能，但是这些Pt-3d合金中Pt原子分数必须大于50%，才能形成表面富Pt结构，从而保护在酸性环境中容易溶解的3d金属，避免因3d金属溶解导致的催化剂稳定性变差。由于Au具有很高的电化学稳定性，且资源相对Pt丰富的多。早期报道在Au表面沉积的Pt单层作为燃料电池阴极催化剂时其性能比纯Pt还差。最近有报道声称Pt-Au合金纳米催化剂的活性比纯Pt强。然而，目前报道的Pt-Au合金纳米催化剂的各种制备方法均有缺陷，限制了其在燃料电池中的实际应用。比如，单一的化学共还原或分步还原法要么使大量的Pt位于催化剂体相，要么使表面Pt团聚严重，以至于只有在催化剂中Pt含量超过50%时才具有较优秀的氧还原催化活性，Pt的含量降低不明显。另外，虽然通过在Au纳米颗粒表面通过欠电势沉积Cu单层再进行Pt置换的方法能使Pt在Au表面均匀分散，但研究表明Cu在Au表面欠电势沉积的覆盖度相当低（小于0.5），最终得到的催化剂表面Pt的覆盖度低，大量Au裸露，总体催化活性低。

发明内容

    针对现有技术存在的问题，本发明以提高燃料电池阴极性能、增加催化剂稳定性、降低Pt用量为目的，提供了一种Pt-AuPt核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

一种Pt-AuPt核壳结构燃料电池阴极催化剂的制备方法，步骤如下：

1）将硼氢化钠加入到金化合物与柠檬酸钠的混合溶液中，搅拌均匀，待溶液变为紫红色后加入导电载体，室温浸渍36-48小时后，离心、真空干燥后得到碳载Au，即Au/C；

2）将上步制得的Au/C超声分散在温度为20~80℃铂化合物水溶液中，搅拌3-24小时，离心、干燥后得到担载型Pt-Au合金纳米颗粒；其中铂化合物水溶液浓度为10^-5 mol/L ~10^-2 mol/L；通过欠电势沉积的方法在上步所得的Pt-Au合金纳米颗粒表面沉积Cu原子单层，接着将沉积了Cu原子单层的Pt-Au合金在铂化合物置换液中浸泡15-30min，得到Pt-AuPt核壳结构纳米催化剂。

作为上述制备方法的优选方案：

所述金化合物为氯金酸或氯金酸钾或氯金酸和氯金酸钾的组合物。

所述导电载体为高比表面积碳。

所述导电载体为导电炭黑、活性炭、碳纳米管及石墨烯中的一种或几种。

所述铂化合物的水溶液为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钾、氯亚铂酸钠中的一种或两种的组合物的水溶液。

所述铂化合物置换液为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钾、氯亚铂酸钠中的一种或两种的组合物的水溶液。

本发明还提供上述方法制备的Pt-AuPt核壳结构燃料电池阴极催化剂，由导电载体和Pt-AuPt核壳结构纳米颗粒组成，催化剂中Pt和Au总质量百分比含量为20~30%，所述Pt与Au的摩尔比为(0.27~0.87)：1。

所述Pt-AuPt核壳结构为纳米级。

所述Pt-AuPt核壳结构的粒径范围为2~5nm。

 

本发明中以碳作为导电载体，导电载体具有空隙结构与大的表面积，可以均匀吸附Au和Au-Pt纳米颗粒，使得Pt与Au形成核壳结构后可以均匀分散在载体表面，在提高Pt与Au利用率的同时，还能有效控制金属颗粒粒径。

 

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

1) 本发明的Pt-AuPt核壳结构燃料电池阴极催化剂的活性成分中Pt的摩尔百分比可低至25%（在总金属载量为20 wt%时，Pt含量仅为 5 wt%），明显降低了催化剂中铂的含量，而金的资源相对比较丰富，从而可解决目前燃料电池所面临的催化剂资源问题；