[发明专利]一种过渡金属掺杂的铂碳催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种过渡金属掺杂的铂碳催化剂及其制备方法和用途。所述方法包括：(1)将碳材料、铂的前驱体溶液和过渡金属盐混合，得到混合溶液；(2)将得到的混合溶液与还原剂混合，分离，干燥，得到前驱体材料；(3)将得到的前驱体材料热处理，得到过渡金属掺杂的铂基纳米颗粒；(4)将得到的过渡金属掺杂的铂基纳米颗粒与全氟磺酸溶液混合，分离，干燥，得到所述的催化剂；其中，步骤(1)、(2)、(3)和(4)均在惰性气氛保护下进行。所述催化剂中过渡金属提高结构稳定性、催化活性和耐久性，全氟磺酸膜的包覆，形成连续的质子传导面网络，提高质子传递速度，提升电流密度和膜电极的使用寿命。

技术领域

本发明涉及新能源燃料电池技术领域，具体涉及一种过渡金属掺杂的铂碳催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)已经成为新能源领域的重点研究对象，是最有前景的燃料电池汽车商业化方案之一，目前已成为许多发达国家竞相发展的技术。它的原理是利用氢气和氧气发生反应，将化学能直接转化为电能，由于具有能量转化效率高、低温启动快速，无污染、耐久性好、比功率高等优点，因此被认为是20世纪的最佳绿色能源之一。

铂基催化剂目前是氢燃料电池系统所必需的理想催化剂体系，在60-90℃具有较好的催化活性，但由于Pt金属存储量少、价格昂贵、易毒化等特点，因此，为了使质子交换膜燃料电池在大规模市场应用中具有商业可行性，需要开发高活性、高耐久、铂含量更低的铂催化剂是当下研究重点。

CN106972181A公开了一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法，所述的Pt基纳米线阴极催化剂包括碳载体，以及负载碳载体上的活性组分，所述活性组分为Pt纳米线或PtM合金纳米线，其中，M为过渡金属，其选自元素周期表B族和第IIIV族的元素中的一种；阴极催化剂用无模板法或模板法等液相还原制得Pt纳米线或PtM合金纳米线，然后易高导电性的碳载体负载主活性组分，即得到。与现有技术相比，本发明提供的Pt基纳米线阴极催化剂制备方法简单、纳米线结构均一、活性高、耐久性佳等。但是该发明提供的催化剂在应用过程中质子传递速度较慢，进而影响燃料电池的电流密度和使用寿命。

催化剂利用率的优化提供了一种降低铂负载量的途径，CN103579639A公开了一种燃料电池用阴极催化剂及制备方法，所述催化剂为空壳型碳担载Pt基纳米催化剂，以Pt或Pt与过渡金属组成的合金为活性组分，其通式为Pt或PtM_x，其中，M＝Ag、Au、Ru、Rh、Pd、Os或Ir，0.05≤x≤0.95，催化剂粒径为10-100nm，壳体壁的厚度1-20nm。制备的催化剂Pt基组分利用率高，相比于传统的碳载Pt基纳米颗粒催化剂，本发明的催化剂在保证表面有效Pt基活性组分的前提下，省去传统纳米颗粒内部不参与反应的Pt基组分，提高Pt基组分的利用率；同时空壳结构诱导Pt基组分发生晶格畸变，产生电子调控作用，参与催化反应的Pt基组分催化活性高，但是该发明提供的催化剂结构不稳定，耐久性较差，同时制备方法较复杂，不易于产业化。

与生产具有较高催化活性的双金属催化剂相比，铂负载量迄今受到的关注相对较少。催化剂的利用程度与催化剂层的结构相关特性密切相关，催化剂层通常由少量聚合物Nafion和Pt/C或Pt-合金/C粒子组成，在碳载体负载铂纳米粒子表面形成质子导电链，其中聚合物Nafion的作用一方面起到粘结剂的作用，将催化剂牢牢地粘在质子膜上，另一方面为阳极侧H质子提供传导运输路径。催化层工作原理是氢气在阳极分离出质子和电子，质子经过质子交换膜到阴极，而电子则通过外电路到达阴极，当电子到达阴极时，与质子以及通入的O₂在阴极催化剂的作用下结合而生成水，具体电极反应如下：

阳极:H₂→2H+2e^- (1)

阴极:1/2O₂+2H+2e^-→H₂O (2)