[发明专利]有机体系中电沉积制备的Pt-M金属合金催化剂

说明书

本发明公开了一种有机体系中电沉积制备的Pt‑M金属合金催化剂；所述催化剂导电性载体为碳基的；在有机溶剂中，Pt‑M金属共沉积制备而成的Pt‑M金属合金纳米颗粒，并以物理负载的方式均匀分散于载体表面。制备过程中，将Pt源前驱体和M源前驱体溶于有机溶剂，混合溶液中金属前驱体的体积摩尔浓度均为1～20mmol/L。另外，惰性气氛保护下排除溶液中的氧气，进行后续的不同沉积电位下沉积，并进行循环伏安电化学清洗。通过本发明的方案，可达到所制备的Pt‑M金属合金纳米颗粒催化剂的铂载量的进一步降低和催化活性的增强，贵金属综合利用效率的极大提高，并且使之氧还原活性提高，降低贵金属催化剂的综合成本等目标。

技术领域

本发明涉及纳米材料，电化学技术以及燃料电池催化剂领域，具体涉及一种有机体系中电沉积制备的Pt-M金属合金催化剂及其制备方法。

背景技术

由于能量转换效率高，无环境污染，噪音低，可靠性好等特点，燃料电池已经发展为一种潜力很大的新能源技术。然而，燃料电池技术在汽车、分布式发电和便携式电子领域的大规模应用仍具有诸多阻碍，其中阴极催化剂的高成本问题即是最主要的挑战。虽然非铂催化剂在成本上具有极大优势，但其催化活性和稳定性与铂基催化剂相比现今仍有相当的距离。就目前状况来看，开发新型低铂高性能催化剂仍是实现质子交换膜燃料电池(PEMFCs)商业化的必由之路。

氢能具有高燃烧热值(约为汽油3倍)，广泛的制取途径，应用前景非常广泛；更重要的是，其最终产物仅为水，是零污染的真正清洁能源。质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)，通过电化学途径能够将氢气中的化学能直接转变为电能，且相较于其它类型燃料电池，具有工作温度低、启动快等优势，是电动汽车动力装置的最理想选择。然而，PEMFC阴极的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)动力学缓慢，过电势很大，需要使用Pt贵金属做电催化剂从而加速其反应。降低PEMFC阴极电催化剂的Pt用量的主要途径包括开发新型、高活性的Pt-M(主要为过渡金属)合金催化剂、Pt基核壳结构催化剂以及非Pt催化剂。

然而，传统化学合成受制于合成手段单一，对于组分及形貌的控制方法有限，极大地限制了阴极贵金属催化剂的进一步突破。而电化学合成方法克服了上述传统化学合成法的局限性，在可控性方面具有极高的优势，且一直以来采用电化学方法在有机电解液体系中制备形貌可控的Pt-M合金催化剂的研究鲜有报道，具有相当的发展前景。电化学合成的可控性体现在可简单通过电极电位(或电流密度)改变来调控颗粒的成核和生长，诱导高指数晶面的生长，从而控制纳米合金颗粒形貌。传统的电化学合成广泛应用于水体系中，而有机电解液体系由于具有更宽的电化学窗口从而更容易实现电极电位比较负的金属(如Fe、Co、Ni)的沉积。因此，选择合适的有机电解液体系可有效缩小不同金属电极电位的差别，更有利于制备合金催化剂结合电化学方法，在有机体系中，可以获得相比传统化学合成法更高的可控性优势，更利于合成出大小均一、具有特定形貌的高ORR活性Pt合金催化剂。

为满足质子交换膜燃料电池商业化需求，我们必须进一步降低阴极氧还原的Pt用量并提高其耐久性。本发明涉及的基于4d、5d结构过渡金属的一种有机体系中电沉积制备Pt-金属合金催化剂及其制备的方法，表现了出优异的氧还原电催化活性，能有效用于加快质子交换膜燃料电池的商业化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供了一种有机体系中电沉积制备的Pt-M金属合金催化剂及其制备方法。本发明的催化剂具有极高的氧还原活性，在酸性条件下拥有优异的电化学稳定性并且贵金属综合利用率较高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：