[发明专利]一种负载型高分散、小尺寸铂基有序合金电催化剂的宏量制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池铂基催化剂制备技术领域，具体涉及一种负载型高分散、小尺寸铂基有序合金电催化剂的宏量制备方法。本方案使用金属前驱液浸渍介孔硅，获得粉末Ⅰ；对粉末Ⅰ经热处理，获得粉末Ⅱ；对粉末Ⅱ进行退火处理，获得粉末Ⅲ；将粉末Ⅲ和载体分散于分散溶剂中，获得分散液；然后刻蚀分散液中的介孔硅，获得催化剂。本方案解决了过渡金属元素与铂合金化形成的催化剂的催化活性不理想的技术问题。所制备催化剂纳米颗粒具有高分散性，纳米颗粒尺寸约3‑5nm，合金结构为金属间化合物结构。本发明制备流程简单、环境友好，适用于大规模生产；所制得催化剂具有较高的氧还原活性和稳定性，可直接应用于燃料电池中。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池铂基催化剂制备技术领域，具体涉及一种负载型高分散、小尺寸铂基有序合金电催化剂的宏量制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)具有能量密度高、不受卡诺循环限制、零污染物排放等诸多优点，可以广泛地应用于交通运输、固定式发电、便携式电源等领域。PEMFCs的工作原理是基于阳极的氢氧化反应(HOR)和阴极的氧还原反应(ORR)。相比于HOR，ORR具有较大的反应过电位和较慢的反应动力学。为了满足PEMFCs的高功率需求，业界不得不增加催化剂使用量。然而铂资源价格昂贵且我国储量较低，这严重限制了燃料电池产业的推广发展。

为了提高催化剂活性，降低铂使用量，学界通常将过渡金属元素(如Fe、Co、Ni等)与铂合金化，以降低含氧物质(如-OH^*、-OH₂^*等)与铂结合能，提高其催化反应动力学。Cui等(Chunhua Cui,et al.,Compositional segregation in shaped Pt alloynanoparticles and their structural behavior during electrocatalysis,NatureMaterials,2013,12,765-771.)通过溶剂热法合成了具有八面体结构的Pt-Ni合金催化剂，该催化剂质量活性为商业Pt/C催化剂的10倍。然而，在长时间使用后Ni原子大量溶出，使得表面Pt原子配位数快速下降并开始发生表面原子重排。催化剂逐渐由八面体结构变为球形，导致其催化活性急剧衰减。即使通过化学、电化学手段去合金化预先去除表面不稳定贱金属原子来短暂提升催化剂的耐久性，其所得粗糙的合金表面依然难以长时间维持(DeliWang,et al.,Tuning Oxygen Reduction Reaction Activity via ControllableDealloying:A Model Study of Ordered Cu₃Pt/C Intermetallic Nanocatalysts,NanoLetters,2012,12,5230-5238.)。