[发明专利]一种用于碱性介质中氧气还原反应的银锰双金属复合催化剂及其合成方法

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银锰双金属复合催化剂及其合成方法。本发明通过化学还原法制得锰元素原子含量为2％～25％的胶体银锰复合金属颗粒。然后将这些金属纳米颗粒负载在活性炭上，制备出相应的碳载纳米银锰复合金属催化剂，进而研究其作为氧还原电催化剂的性能，发现上述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双金属纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池技术是一种非常有前景的能源转换技术，它将化学能直接转换为电能，因此具有很高的能量转换效率和环境友好性。在过去的几十年中，燃料电池的研究开发已经取得一系列重要进展。质子交换膜燃料电池是该技术的主要研究对象，但是由于电解质为酸性所导致的腐蚀问题，使得质子交换膜燃料电池的催化剂严重依赖于贵金属Pt，这导致了电池成本增大，阻碍了该技术的进一步商业化。采用碱性电解质的氢氧交换膜燃料电池近年来受到越来越多的关注，因为可以使用更便宜的催化剂和双极板，其成本将远低于质子交换膜燃料电池。

在氢氧交换膜燃料电池中，Ag基氧还原催化剂被认为是最有希望替代Pt的阴极催化剂，Ag的价格仅为Pt的1/50，且在碱性条件下具有更好的电化学稳定性。Ag基催化剂是目前氢氧交换膜燃料电池应用中性能最好的不含铂族金属的阴极催化剂，但与Pt的催化性能仍有一定的差距。旋转圆盘测试表明，Ag的比表面积活性大约仅为Pt的十分之一，其氧还原反应的半波电位比Pt低约150mV。进一步开发出高效的Ag基催化剂以完全取代Pt，仍需要大量的研究工作。

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双金属复合颗粒。

本发明通过在Ag纳米颗粒中加入过渡金属Mn，制备了银锰复合金属纳米催化剂，得到了一种新型的氧还原纳米催化剂。相对于传统银基氧还原催化剂，本发明提出的新型复合催化剂对氧还原反应的电催化性能以及电化学稳定性均得到显著提高。

在一些实施例中，所述银锰双金属复合颗粒中银元素的所占原子比范围为75％～98％，锰元素的所占原子比范围为2％～25％。

在一些实施例中，所述银锰双金属复合颗粒的平均粒径范围为2～50nm。

在一些实施例中，所述银锰双金属复合颗粒的平均粒径范围为5～20nm。

通过控制银锰双金属复合颗粒的元素组成和粒径范围，可以优化复合催化剂的性能，适用不同的应用场景。在上述优选质量比范围和粒径范围内，本发明的复合催化剂显示更优的电催化性能以及电化学稳定性。

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双金属复合颗粒。

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。

本发明还提出了一种上述复合催化剂的合成方法，包括以下步骤：形成包含银源和锰源的前驱体溶液；加热所述前驱体溶液至预定温度，维持预定反应时间，形成分散有所述复合催化剂的反应液；分离提纯所述反应液，得到复合催化剂纳米颗粒。

在一些实施例中，所述合成方法均在除氧环境中形成。

在一些实施例中，所述预定温度范围为180℃～240℃，所述预定反应时间0.5～4小时。

在一些实施例中，将分离提纯得到的复合催化剂颗粒负附载在载体材料上。