[发明专利]炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明公开一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂及其制备方法、应用，该制备方法包括制备有机溶胶、制备金属溶胶、制备单原子金属掺杂炭气凝胶、向单原子金属掺杂炭气凝胶加入铂前驱体制备炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂等步骤。该制备方法基于制备炭气凝胶的溶胶‑凝胶化学原理，在炭气凝胶骨架上均匀地引入原子级分散非贵金属，作为合金元素源，同时锚定铂纳米颗粒。该制备方法制备得到的氧还原电催化剂中炭气凝胶骨架上原子级分散的非贵金属和铂合金协同催化，氧气还原电催化剂活性和耐久性好，在较低的铂含量下，活性和耐久性远远超过了商用的炭黑负载铂，适用于作为金属‑空气电池和燃料电池用的氧气还原电催化剂。

技术领域

本发明涉及氧还原电催化剂技术领域，尤其是一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池通过氢气与氧气发生化学反应，将化学能转化为电能，产物只有水，清洁无污染，是用于解决环境污染和能源短缺的新型能量转化装置。氧气还原反应发生在质子交换膜燃料电池的阴极，具体过程主要包括：氧气分子活化、活化的氧气在催化剂表面与氢质子结合生成中间体、中间体从催化剂表面脱附、分解为最终产物水。氧气还原反应涉及气、固、液的三相界面和质子耦合多步骤，在动力学上极为缓慢，需要电催化剂加快反应进行。炭黑负载铂纳米颗粒(简称：炭载铂)，兼备较好的活性和稳定性，是目前质子交换膜燃料电池商用的电催化剂。铂的大量使用会导致电池成本较高。炭负载的铂纳米颗粒和炭载体之间属于弱相互作用，在质子交换膜燃料电池阴极高温高湿、富氧和高电位的条件下，高比表面能的铂纳米颗粒，容易迁移、团聚，导致失活，质子交换膜燃料电池寿命亟需提高。制备低铂和高耐久性的氧还原电催化剂，对质子交换膜燃料电池的大规模应用具有非常重要的意义。

以成本较低的非贵金属部分替代铂，制备铂合金氧还原电催化剂，可以降低铂的含量，降低成本，同时引入的合金相原子和铂原子相互作用，减小了铂对于反应生成中间体吸附作用力，使中间产物能更快地脱附，加快了化学反应速率，提高催化剂活性。然而，铂合金和炭载体之间的相互作用力仍然较弱，高表面能的铂合金纳米颗粒也容易迁移、脱落、团聚。铂合金中的非贵金属，在酸性条件下容易溶出成金属阳离子，会导致催化剂和燃料电池性能下降。面对实际应用需求，炭负载铂合金催化剂稳定性仍然有待进一步提高。

发明内容

本发明提供一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂及其制备方法、应用，用于克服现有技术中炭负载铂氧还原电催化剂中铂含量较高，炭载体和负载铂之间作用力较弱，以及耐久性不足等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：选取能发生缩聚反应生成大分子网络结构的第一有机物和第二有机物，按摩尔比称取所述第一有机物和第二有机物，溶解于水中，搅拌至完全溶解，得到有机溶胶；

S2：选取无机金属盐，将所述无机金属盐溶于醇类溶剂中，搅拌至完全溶解，加入第三有机物，继续搅拌至溶液澄清，得到金属溶胶；所述第三有机物为能与无机金属盐反应生成络合物或者能催化无机金属盐中金属盐离子形成金属阳离子溶胶的有机物；

S3：将所述有机溶胶与金属溶胶混合，搅拌均匀，在40～90℃下静置，干燥，裂解，得到单原子金属掺杂炭气凝胶；

S4：将所述单原子金属掺杂炭气凝胶球磨成粉末，将所述粉末分散在溶剂中，加入铂前驱体，搅拌，干燥，在保护气氛下加热并保温，得到炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂。

为实现上述目的，本发明还提出一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂，由上述所述制备方法制备得到；所述氧还原电催化剂中铂的质量分数为1～60％。

为实现上述目的，本发明还提出一种炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂的应用，将上述所述制备方法制备得到的炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂或者上述所述炭气凝胶负载铂合金氧还原电催化剂应用于金属-空气电池和燃料电池中。