[发明专利]一种铂基高效稳定氧还原电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，具体的说是一种铂基高效稳定氧还原电催化剂及其制备方法和应用。利用铂盐与聚合物络合可以形成铂纳米胶束，通过与金属框架聚合物同时形成，或者预先合成并将其植入到金属框架聚合物中，通过干燥、碳化以及后处理工艺，制备获得具有铂合金颗粒分散均匀、碳基底富含杂原子掺杂且性能、稳定性突出的氧还原电催化剂材料，该方法制备过程对设备的要求比较低，制备流程短且操作简单，制备过程环境友好，非常利于规模化生产，具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体的说是一种铂基高效稳定氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业技术的不断发展、人口的不断增长以及对传统化石燃料的持续消耗，当今社会正面临着能源短缺、环境恶化的巨大挑战，开发清洁的可再生能源已经成为当今世界环保领域一项迫切需要解决的任务和重要的发展方向。

质子交换膜燃料电池是一种经过电化学反应就能直接将化学能转为电能的发电装置。其具有的高能量密度、环境友好、低噪音、零排放及可靠性高等优点让世界各国政府、企业和相关研究机构对它的研究和开发给予了高度的重视，被认为是未来最具潜力的能源器件之一。燃料电池阴极的氧还原动力学过程缓慢特征极大地阻碍了该项新能源技术的推广应用，需要具备在酸性电解液中能够表现出优异活性和稳定性的催化剂材料来提升和促进阴极氧还原反应。现阶段，碳负载铂颗粒催化剂具有优于其他催化剂的电化学性能，已成功实现商业化。但是全球铂资源储量稀少，且价格高昂，而且单独的铂颗粒在长时间运行下颗粒会发生溶解偏聚现象，载体也会出现严重的腐蚀导致活性颗粒脱落，因此，高昂的催化剂制造成本和相对较短的寿命限制了质子交换膜燃料电池的进一步商业化进程，需要开发铂利用率更高、催化活性和耐久性优良的催化剂以满足阴极需要。

发明内容

本发明要解决的问题是针对质子交换膜燃料电池的发展限制以及阴极铂碳氧还原电催化剂现阶段成本过高，催化活性和耐久性还不能满足燃料电池大规模商业化应用现状而提出的一种铂基高效稳定氧还原电催化剂及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种铂基高效稳定氧还原电催化剂的制备方法，利用铂盐与聚合物络合形成铂纳米胶束，并将其植入到金属框架聚合物中，再经处理得氧还原电催化剂。

进一步的说，利用铂盐与聚合物络合形成铂纳米胶束，在将所得铂纳米胶束在金属框架聚合物合成过程中植入其中，或，通过将铂纳米胶束合成原料加入到金属框架聚合物合成溶液中，实现将铂纳米胶束原位植入到金属框架聚合物中，后经干燥、碳化以及后处理获得氧还原电催化剂。

再进一步的说：

(1)铂源与聚合物络合制备铂胶束前驱体：将可以络合铂源的聚合物溶于溶剂中形成溶液A，将预先溶解完全的铂盐溶液缓慢滴加到溶液A中，搅拌(25-60℃)混匀；其中，控制铂盐与可络合铂盐聚合物摩尔比值为1～20，25～60摄氏度搅拌混匀，待用；

(2)金属框架聚合物的组装与包覆：将锌盐溶解于溶剂中使其完全溶解；之后将过渡金属盐和组装用有机前驱体共同溶解于溶剂中使其充分溶解；然后将上述两种溶液混合形成溶液B，而后通过滴加的方式将步骤(1)中的铂胶束前驱体溶液加入溶液B中，搅拌(25-60℃)混匀，使具有铂盐络合物均匀分散至金属有机框架聚合物中；其中，锌盐与溶剂的质量比值为5～40，组装用有机前驱体与溶剂的质量比值为5～50，锌盐与过渡金属、有机前驱体的质量比为1:0.01～0.5:0.5～2。

(3)聚合物的清洗及冷冻干燥处理：将步骤(2)获得分散有具有铂盐络合物的金属框架聚合物采用溶液进行离心清洗2-5遍，清洗后冷冻干燥，待用；

(4)干燥聚合物的碳化处理：将步骤(3)获得的干燥聚合物破碎，破碎后在700～1100℃碳化处理0.5～4小时，而后冷却至室温，得到碳基体石墨化充分、铂与过渡金属有序合金化的复合物；