[发明专利]一种铂基合金催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铂基合金催化剂，所述催化剂以有序相铂铁铱合金纳米线为活性组分，以炭黑为碳载体，所述铂铁铱合金纳米线均匀分散于炭黑表面。该催化剂具有好的结构稳定性和活性，耐强氧化性和强酸，同时该催化剂具有好的催化氧还原到水的催化性能。本发明还公开了该催化剂的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及微纳米材料制备技术领域。更具体地，涉及一种铂基合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池通常依赖于昂贵的铂基纳米粒子催化剂进行燃料氧化和氧还原反应，阴极氧还原反应的动力学通常控制着燃料电池的整体效率和性能。铂在驱动氧还原反应中优于所有其他过渡金属。然而，铂的低地球丰度和高成本是其在燃料电池中大规模应用的瓶颈。一些铂基合金可以在提高催化剂活性的同时降低催化剂的成本尤为重要。大量的研究表明铂基合金催化剂的组成、结构、形貌、载体均对其活性和稳定性有很大影响。其中，具有超细纳米线(直径小于3nm)形貌的铂基合金由于具有高的比表面积、优异的电子导电性、与载体强的相互作用等优势是一种有潜力的氧还原反应催化剂。但是其在强氧化性和酸性的测试条件下仍然存在过渡金属溶解的情况，从而导致纳米线结构的坍塌，不利于催化活性的保持。

构筑有序相合金能够减缓过渡金属的溶解提高铂基合金的稳定性。因此合成有序相的超细铂基合金纳米线将会在保持纳米线优势的同时有望增加纳米线的结构稳定性。但有序相铂基合金通常需要通过高温热处理来获得，该处理过程会造成纳米线的断裂甚至团聚为更大尺寸的颗粒，使得超细的有序相铂基合金纳米线的合成极具挑战性。

发明内容

基于以上不足，本发明的一个目的在于提供一种铂基合金催化剂，该催化剂具有好的结构稳定性和活性，耐强氧化性和强酸，同时该催化剂具有好的催化氧还原到水的催化性能。

本发明的第二个目的在于提供一种铂基合金催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种铂基合金催化剂的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种铂基合金催化剂，所述催化剂以有序相铂铁铱合金(命名为L1₀-PtFeIr)纳米线为活性组分，以炭黑为碳载体，所述铂铁铱合金纳米线均匀分散于炭黑表面。

相比于在400℃热处理条件下得到的无序相铂铁铱合金(命名为A1-PtFeIr)纳米线，本申请提供的催化剂中，由于贵金属和铁原子占据特定的晶胞位置，原子之间在c轴方向具有强的d-d轨道相互作用，L1₀-PtFeIr纳米线显示出了更加优异的结构稳定性。

进一步地，所述纳米线的直径为1.8-3.2nm，平均直径为2.3-2.8nm，优选为2.54-2.72nm。

进一步地，所述炭黑为导电碳黑。有利于纳米线分散性的提高以及电催化活性位点的暴露。

进一步地，所述炭黑选自Ketjenblack EC-300J型炭黑、碳纳米管和石墨烯。

进一步地，所述纳米线中，铂和铱的总量与铁的原子比例为46:54-51:49；所述铂和铱与铁原子之间呈现有序的面心四方排列方式。这种有序化结构有利于其在电催化测试中的稳定性。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种铂基合金催化剂的制备方法，包括如下步骤：

提供负载有无序相铂铁铱合金纳米线的炭黑，记为物质A；

在物质A的无序相铂铁铱合金纳米线上包覆二氧化硅，得物质B；

将物质B进行热处理、刻蚀去除二氧化硅，得所述铂基合金催化剂。

上述制备方法中，包覆的二氧化硅优异的热稳定性和限域作用缓解了后续热处理相转变过程中纳米线的结构坍塌。