[发明专利]一种三维石墨烯载铂催化剂及其制备方法和应用

说明书

本申请提供一种三维石墨烯载铂催化剂及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域。三维石墨烯载铂催化剂以三维石墨烯为载体，以铂为活性成分。三维石墨烯通过在纳米碳颗粒表面垂直生长石墨烯片形成三维球状石墨烯结构颗粒制得。三维石墨烯由于特殊的结构使其具有导电性好、比表面积高、化学稳定性高、活性位点裸露充分、机械强度高和散热性好等优点。并且，三维石墨烯不易团聚。将铂负载于三维石墨烯上，铂能够均匀分散于垂直石墨烯片的表面，获得铂分散均匀的催化剂，提高铂的利用率，从而表现出更加优异的氧还原催化活性。同时，由于垂直石墨烯片固定于颗粒表面，使用过程中不会团聚，能够保证催化剂颗粒充分裸露，同时获得高活性和高稳定性。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种三维石墨烯载铂催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着燃料电池在航空航天、国防军用、家用便携式电子产品等领域的应用前景日益凸显，人们对燃料电池技术、关键材料及性能要求越来越高。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的电化学装置，具有体积小、比能量密度高、环境友好、价格低廉等优点，其关键材料之一就是催化剂。

铂、钌、钯等贵金属是目前公认较为理想的催化剂，但仍然存在如下问题：(1)纯铂催化活性高，但耐电池反应中间产物腐蚀性差；(2)催化剂颗粒粒径分布不均，利用率低；(3)催化剂载体导电、传热、耐酸碱性差。

针对这些问题，选用一种高比表面积、高化学稳定性、多活性位点、高导电导热、高强度的催化剂载体极为重要。目前，应用最多的铂催化剂载体是炭黑，但炭黑颗粒细小，炭黑比表面积小，容易团聚，难以实现催化剂颗粒高度分散，导致催化剂利用率下降，炭黑结晶差，容易腐蚀，导致其稳定性下降，同时，炭黑导电性也不好，在燃料电池工作中存在较大的欧姆阻抗和传质限制，不利于燃料电池功率密度的提高。此外，催化剂颗粒、Nafion膜及炭黑载体三相接触界面少，催化剂纳米颗粒包覆在炭黑载体的微孔中，难以与反应物接触，从而导致催化剂未能贡献足够的电化学催化活性，即获得低的催化剂利用率。碳纳米管、碳纳米纤维等碳材料同样被用作催化剂载体，但催化剂颗粒在此类载体表面的均匀分散问题、相互作用等一直未得到良好解决。这是因为碳纳米管、碳纳米纤维等表面呈化学惰性，必须通过表面改性或预处理(如酸处理)在其表面引入固定位点，使得催化剂颗粒附着在表面。

发明内容

本申请提供了一种三维石墨烯载铂催化剂及其制备方法和应用，其具有较高的催化活性。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种三维石墨烯载铂催化剂，其以三维石墨烯为载体，以铂为活性成分。

三维石墨烯通过在纳米碳颗粒表面垂直生长石墨烯片形成三维球状颗粒制得。

在上述技术方案中，本申请的三维石墨烯由于特殊的结构使其具有导电性好、比表面积高、化学稳定性高、活性位点裸露充分、机械强度高和散热性好等优点。并且，三维石墨烯不易团聚。将铂负载于三维石墨烯上，铂能够均匀分散于垂直石墨烯片的表面，获得铂分散均匀的催化剂，提高铂的利用率，从而表现出更加优异的氧还原催化活性。同时，由于垂直石墨烯片固定于颗粒表面，使用过程中不会团聚，能够保证催化剂颗粒充分裸露，同时获得高活性和高稳定性。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，上述三维石墨烯载铂催化剂的载铂量为1～20％；

可选地，三维石墨烯载铂催化剂的载铂量为1～5％。

在上述示例中，本申请的三维石墨烯的活性位点较多，可以获得载铂量较高的三维石墨烯载铂催化剂。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述石墨烯片的长度为50～100nm。

在上述技术方案中，石墨烯片长度小于50nm时，铂纳米颗粒负载量相对较低，且铂颗粒与石墨烯片、Nafion膜接触不够充分，结合力不强，这导致催化剂活性降低，且利用率较低。