[发明专利]一种用于碱性介质中氧气还原反应的复合催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于碱性介质中氧气还原反应的复合催化剂及其合成方法，所述复合催化剂包括银锰铜三元金属复合颗粒。本发明通过制备铜银锰三元金属复合纳米颗粒，得到了一种新型的氧还原纳米催化剂，在碱性电解质中表现出良好的催化性能。

技术领域

本发明属于氧还原电催化剂制备技术领域，具体涉及一种用于碱性介质中氧气还原反应的复合催化剂及其制备方法。

背景技术

低温氢燃料电池是从化石能源向氢能过渡的关键技术之一。这些电池将为无污染车辆提供高效率的电源，以取代传统的内燃机。然而，限制商业化的主要原因是由于目前电池的催化剂系统-特别是阴极氧还原催化剂严重依赖于贵金属Pt，这导致燃料电池系统成本高，且不能通过规模经济降低。不含铂族金属的阴极催化剂的开发对于氢氧燃料电池非常重要。由于在质子膜交换燃料电池中，非贵金属催化剂在酸性环境中的溶解和腐蚀现象非常严重，因此开发基于不含贵金属的催化剂是相当困难的。相比之下，在相对良性的碱性环境中，氢氧化物交换膜燃料电池可以使用更经济实惠的双极板和完全不含Pt族元素的廉价催化剂，这引起了研究人员的兴趣。得益于几种性能优良的氢氧化物交换膜的研发，近年来在提高碱性膜燃料电池的性能和稳定性方面取得了一些显著进展。

目前，用于碱性膜燃料电池中的不含Pt族元素的阴极氧还原催化剂主要包括Ag基催化剂，过渡金属氧化物和金属-氮杂碳材料等。目前Ag基催化剂有望取代Pt，器件效率远高于其它不含Pt族元素的催化剂。考虑到Ag基催化剂的成本仍不能忽略(银的价格是铂的1/50)，Ag基催化剂的金属颗粒的尺寸也应确保在纳米级，以确保Ag原子的利用效率，在最少的Ag使用量下提供最佳的催化性能。然而，当Ag颗粒尺寸减小到纳米级时，这些纳米颗粒倾向于聚集，主要是由于颗粒到达纳米尺度时，引起了金属表面的功函数降低以及Ag的标准氧化电极电势的负偏移。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新的用于碱性介质中氧气还原反应的复合催化剂及其制备方法，解决目前银基纳米催化剂的氧还原电催化活性低以及电化学稳定性不高的问题。

本发明提出了一种用于碱性介质中氧气还原反应的复合催化剂，所述复合催化剂包括银锰铜三元金属复合颗粒。

在一些实施例中，所述复合催化剂包括以银锰元素为主的外层和以铜元素为主的内核。

在一些实施例中，所述外层由银锰组成，所述内核由铜银组成。

在一些实施例中，所述复合催化剂为核壳结构，所述核的表面至少部分分布有所述壳，所述核以铜元素为主，所述壳以银锰元素为主。

在一些实施例中，所述复合催化剂中银元素的原子占比范围为23％～75％，锰元素的原子占比范围为2％～25％，铜元素的原子占比范围为23％～75％。

在一些实施例中，所述复合催化剂的平均粒径范围为2～50nm。

在一些实施例中，所述复合催化剂包括载体材料和分布于所述载体材料表面的银锰铜三元金属复合颗粒。

在一些实施例中，所述复合催化剂包括载体材料和分布于所述载体材料表面的银锰铜三元金属复合颗粒。

在一些实施例中，所述载体材料包括一维、二维或者三维结构的碳材料或者金属氧化物材料。

本发明还提出了上述复合催化剂的合成方法，包括以下步骤：形成至少包括铜源的第一前驱体溶液；形成至少包括银源和锰源的第二前驱体溶液；加热第一前驱体溶液至第一温度，维持第一反应时间，形成分散有含铜纳米颗粒的第一反应液；将所述第一反应液调整到第二温度，并加入所述第二前驱体溶液，维持第二反应时间，形成分散有银锰铜三元金属复合颗粒的第二反应液；分离提纯所述第二反应液，得到所述复合催化剂。

在一些实施例中，第一温度范围为180℃～280℃，所述第一反应时间0.5～4小时，第二温度范围为180℃～240℃，所述第二反应时间1～6小时。