[发明专利]一种铂合金纳米晶催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明属于质子交换膜燃料电池阴极催化剂相关技术领域，其公开了一种铂合金纳米晶催化剂及其制备方法与应用，包括以下步骤：(1)将铂源前驱体和铁源前驱体加入油胺中均匀混合，通过溶剂热法将铂源前驱体及铁源前驱体还原生成无序的面心立方结构铂基合金纳米晶，并将铂基合金纳米晶负载在碳粉上以得到碳载纳米晶样品；(2)以碳载纳米晶样品作为原料之一制备得到锂离子电池的正极，组装成锂离子电池，并将组装成的锂离子电池进行充放电；(3)拆解锂离子电池以得到嵌锂后的正极材料，并对正极材料进行处理以得到相变后的有序铂合金纳米晶催化剂。本发明降低了合金中金属原子之间的结合强度，促进了铂基合金纳米晶在低温条件下完成有序化转变。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池相关技术领域，更具体地，涉及一种铂合金纳米晶催化剂及其制备方法与应用，尤其涉及到有序金属间相型质子交换膜燃料电池阴极催化剂的制备。

背景技术

随着经济社会的高速发展，能源危机和环境问题日益凸显。传统的化石能源存在环境污染以及能量利用效率较低等问题，开发绿色清洁、高效的新型能源(例如：太阳能、氢能、风能等)已经迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuelcells，PEMFCs)是一种直接将化学能转化为电能的新型能源装置，具有能量转化效率高、工作温度较低、清洁绿色、启动迅速等优点。但是PEMFCs的阴极氧还原反应存在动力学缓慢、阴极催化剂稳定性差等问题，这些问题严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。在PEMFCs的阴极反应中，铂(Pt)基结构有序金属间相催化剂同时具有优良的催化活性和稳定性等两个优点，被认为是一种有前景的阴极催化材料。

然而，在合成这种有序结构的过程中，通常需要在较高温度下对无序结构的Pt基合金进行退火处理。高温有序化处理会导致催化剂纳米粒子团聚、电化学比表面积减小，铂原子的利用率降低，从而引起催化剂活性的降低；另一方面，高温处理会导致技术路线能耗大，增加制备成本。因此，在形成有序金属间化合物的热处理过程中，寻找一种中低温(小于500℃)制备铂基金属间相纳米晶催化剂的方法，既节能减排，又能节省成本，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铂合金纳米晶催化剂及其制备方法与应用，本发明通过组装锂电池充放电的方式对铂基合金纳米晶进行电化学嵌锂，从而降低合金中金属原子之间的结合强度，增加纳米晶中的空位数量，促进铂基合金纳米晶在低温条件下完成有序化转变，且相变后的金属间相都具有较为优良的性能，并且为开发相关结构的高性能阴极催化剂提供了参考。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铂合金纳米晶催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将铂源前驱体和铁源前驱体加入油胺中均匀混合后，通过溶剂热法将所述铂源前驱体及所述铁源前驱体还原生成无序的面心立方结构铂基合金纳米晶，然后将铂基合金纳米晶负载在碳粉上以得到碳载纳米晶样品；

(2)以该碳载纳米晶样品作为原料之一制备得到锂离子电池的正极，组装成锂离子电池，并将组装成的所述锂离子电池进行充放电处理以得到正极嵌锂的锂离子电池；

(3)拆解所述锂离子电池以得到嵌锂后的正极材料，并对所述正极材料进行中低温退火处理以得到相变后的有序铂合金纳米晶催化剂，所采用退火温度为350℃～500℃。

进一步地，铂源前驱体和铁源前驱体分别为乙酰丙酮铂和乙酰丙酮铁。

进一步地，乙酰丙酮铂和乙酰丙酮铁的摩尔比为1.0～1.2；碳载纳米晶样品中的Pt质量含量为10％～20％。

进一步地，步骤(2)中，将步骤(1)中制备得到的碳载纳米晶涂覆在铜箔上以作为锂离子电池的正极，并将金属锂片作为锂离子电池的负极，继而组装成完整的锂离子电池后进行充放电处理以得到正极嵌锂的锂离子电池。

进一步地，通过控制锂离子电池的充放电时间来控制正极材料中的嵌锂量。