[发明专利]一种铂合金催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用

说明书

本发明公开了一种铂合金催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用，所述方法包括：1)配制第一还原剂葡萄糖和第一金属组分铂的前驱体的混合溶液；2)混合溶液pH值在3～10的条件下，加热并加入碳载体，升温至80～95℃反应；3)加入第二金属组分前驱体，反应；4)冷却并分离反应产物；5)将反应产物溶解到水中，然后加入第二种还原剂，升温至80～95℃，反应；6)冷却并分离反应产物，得到催化剂前驱体；7)煅烧，得到铂合金催化剂。本发明的制备方法无需大量有机溶剂，反应条件温和，在水溶液中以无毒、温和的葡萄糖为主还原剂，通过引入第二种温和的还原剂进一步协同分散和还原，制备出高效氢燃料电池催化剂。在燃料电池催化剂领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于燃料电池阴极催化剂的合成技术领域，涉及一种铂合金催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用。

背景技术

随着化石燃料使用量的增加，当今社会首要问题为能源危机与环境污染。燃料电池能够将化学能转化为电能，直接缓解能源危机并减小环境污染。其中质子膜氢燃料电池具有能量转换效率高、功率密度高、运行温度低和环境污染小等优点，被认为是理想的清洁能源转化装置，是绿色新能源汽车的动力首选能源。

但是，燃料电池高昂的成本限制了其商业化进程，其中催化剂居高不下的成本是阻碍氢燃料电池应用的重要因素之一。燃料电池主要由催化剂、质子交换膜、双极板等构成，其中催化剂占了质子交换膜燃料电池总成本的50％，目前燃料电池使用的阴极和阳极催化剂主要为Pt基催化剂，而阴极氧还原反应(ORR)的反应速率相比于阳极氢氧化(HOR)的反应速率要慢很多，因此需要更多的铂(Pt)来促进阴极反应，由于Pt资源稀缺价格昂贵，而导致催化剂成本过高。如果将铂与廉价金属结合制成合金催化剂则能有效降低铂含量，降低催化剂成本。其中加入第二过渡金属能够改变Pt的d带中心和表面电子排布，进而改变催化剂氧的化学吸附作用，并且能发挥合金化的电子效应和锚定效应来提高催化剂的催化活性，从而提高了铂基合金在阴极氧还原反应(ORR)催化反应中的活性。

但是，化学还原法是制备铂合金催化剂的重要方法，化学还原法，将铂前驱体、金属前驱体与碳载体在水相或有机相以一定条件与过量还原剂充分反应制得铂合金催化剂。溶剂可根据还原剂和稳定剂的性质不同而对应选择，反应体系可以根据需求随时调整。而化学还原法的还原剂大多是NaBH₄(Vasquez Y.,Sra A.K.,Schaak R.E..One-potsynthesis of hollow superparamagnetic CoPt nanospheres[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2005,127(36):12504-12505.)、水合肼(Zhang S.,HaoY.Z.,Su D.,et al.Murray Monodisperse Core/Shell Ni/FePt Nanoparticles andTheir Conversion to Ni/Pt to Catalyze Oxygen Reduction[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2014,136(45):15921-15924.)、多元醇(Santiago,E.I.,Varanda,L.C.,Villullas,H.M.PtCo carbon-supported Pt-Co catalyts prepared by amodified polyol process as cathodes for PEM Fuel Cells.[J].J.Phys.Chem.C2007,111:3146-3151.)类等具有较强还原能力的物质，其中多元醇做还原剂较为温和，但需要高温下反应效果较好，并且醇易挥发，醇对环境造成一定的影响。而且，化学还原法中大量使用有机物或强还原剂，一方面，造成严重的环境污染，违背了燃料电池是绿色新能源的初衷，另一方面，反应不好控制且强还原剂属于危化品，在还原剂使用和储存过程中安全问题突出。例如中国专利(申请号：201010268292.9)公开了一种燃料电池催化剂的制备方法，即在醇环境下以甲醇、甲醛、硼氢化钠、水合肼等为还原剂，但是甲醇、甲醛对人体有明显的毒害作用，长期接触易致癌，硼氢化钠、水合肼等还原剂较强，易爆不易保存，并且该专利并未证明催化剂的电催化效果。中国专利(申请号：201610912716.8)公开了一种葡萄糖与氯铂酸回流后再进入反应釜的制备方法合成铂纳米立方块，不仅制备过程较为复杂，而且电化学活性面积等催化指标欠佳。