[发明专利]一种利用多羟基醛酮还原制备低贵金属壳层催化剂及其制备方法

说明书

本发明属能源催化技术领域，尤其涉及一种利用多羟基醛酮还原制备低贵金属壳层催化剂及其制备方法。本发明提供了一种低贵金属壳层合金催化剂和方法。本发明催化剂制备步骤如下：1)将核心金属离子鳌合分散，冷冻稳定；加入还原剂结合，进一步冷冻处理，获得还原性前驱体；2)碳载体超声分散在表面活性剂稳定的溶液里，加入还原性前驱体，升温还原，制备核心金属；3)进行稳定金属过渡层的包覆；4)壳层金属的多羟基醛酮还原；5)晶体陈化生长；6)离心干燥热处理。所获得的催化剂具有优于商业化Pt/C的氧还原活性，制备方法简单，在氧还原催化体系、电催化和燃料电池等领域具有重要价值。

技术领域

本发明属于能源催化技术领域，尤其涉及一种利用多羟基醛酮还原制备低贵金属壳层催化剂及其制备方法。

背景技术

能源和环境问题是当今影响世界发展的重要难题，可再生能源的高效利用是实现能源可持续发展和有效解决环境污染问题的重要发展方向。氢是宇宙中分布最广泛的物质，是一种清洁的二次能源。21世纪氢能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的清洁能源形式，其开发和利用必将备受关注(Jing-Xiao Tang et al,J.Mater.Chem.A,2018)。氢气具有燃烧热值高，产物无污染，资源丰富，可持续利用的优点。氢燃料电池是一种重要的氢能利用装置，可以实现氢能的清洁高效转化，然而其广泛使用却受制于燃料电池阴极滞后的氧气还原反应，该过程需要大量使用高昂的铂催化剂(Xiao Xia Wang et al，naturecatalysis，2019)。研究表明，调控铂基合金催化剂的微观结构可有效提高其催化效率(Falk Muench et al,Catalysts,2018)。

经典电催化理论表明，优异的ORR催化剂须具备比较适中的氧结合能，控制催化剂表面的应力则是调控其氧结合能的有效方式之一(Mingchuan Luo et al,nature reviewsmaterials,2017)。对于大多数Pt双金属催化剂，通常有几种结构关系主导催化剂的性能，即配体效应、电子效应、应力效应、协同效应。不同金属间的应力效应是目前已知的有效且可控的进行催化性能调控的手段之一(Jianping Lai et al.,Small,2017)。相比于协同效应和电子效应，应力效应的作用范围更广，从而能长期存在于电催化剂复杂的运行环境中，具有很高的实际应用价值。当金属表面被压缩或拉伸时，其d带中心位置会有相应的改变，从而影响其对氧气或含氧中间体的吸附键能。金属表面的应力调控手段包括：核壳结构催化剂制备，金属界面将对晶格常数较大的金属产生压缩应力，而对晶格常数较小的金属产生拉伸应力；制备多晶金属催化剂(Kezhu Jiang et al,Sci.Adv.,2017)。相比于单晶结构，多晶具有独特的晶界以缓解过高的比表面能，同时改变其表面的应力分布(LingzhengBu et al,Adv.Mater.,2015)；引入外力，对其表面的金属催化剂引入应力。电极材料在嵌入、脱出时产生的膨胀、压缩现象。多晶晶界对表面应力分布及催化活性有显著的影响，可制备高活性合金催化剂，从而降低成本，推进燃料电池的商业化进程(Wei Wang et al,Adv.Mater.,2016)。调节纳米粒子金属间晶面应力作用来达到提高金属催化能力和电化学反应转化效率是一种有效的手段(Mufan Li et al,science,2016)。因此，制备合金壳核结构催化剂具有重要意义。

发明内容

发明要解决的技术问题

催化剂氧还原活性是决定氢燃料电池性能的关键因素之一，性能优异的ORR催化剂须具备比较适中的氧结合能，通常控制催化剂表面的应力是调控其氧结合能和催化活性的有效方式之一。因此，通过合金化和制备壳核结构催化剂是重要研究方向。本发明的目的是提供一种多羟基醛酮还原法制备低贵金属壳层催化剂的技术。

用于解决技术问题的方法

针对上述问题，本发明提出了一种低贵金属壳层合金催化剂和方法。