[发明专利]一种燃料电池非贵金属氮碳负载铂合金电催化剂及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种燃料电池非贵金属氮碳负载铂合金电催化剂及制备方法与应用，属于燃料电池领域。该方法以咪唑类金属有机框架高温碳化得到金属氮碳为载体，将铂的前驱体与金属氮碳超声分散，干燥，在还原性气氛中热处理并结合酸洗刻蚀工艺得到催化剂。氮掺杂的碳载体能够抑制高温焙烧过程中纳米颗粒的团聚，有利于得到金属纳米颗粒小且分散均匀的催化剂。此外，催化剂中的过渡金属从载体中引入，无需添加额外的金属盐。电化学研究表明，本发明制备的催化剂具有优异的电化学活性及稳定性。本发明的制备方法简单，易于批量化生产。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池非贵金属氮碳负载铂合金电催化剂及制备方法与应用。

背景技术

燃料电池可将化学能通过电化学的方式转换成电能，是一种高效清洁的能量转换装置，其具有能量转换效率高、低温启动速度快、环境友好等优点，在航空航天、便携式电源、公共交通等领域具有广泛应用。其中车用燃料电池处在商业化的前期阶段，而燃料电池的成本与寿命限制了车用燃料电池的大规模使用。

电催化剂是制约燃料电池成本与寿命的关键材料。众所周知，以纳米颗粒形式分散在碳载体上的Pt/C催化剂是目前最广泛使用的氧还原催化剂。而Pt作为稀有贵金属，储量有限，价格高昂，导致燃料电池的成本居高不下，严重阻碍了燃料电池的商业化进程。将Pt与过渡金属(如Fe、Co、Ni、Mn等)合金化通过电子效应及几何效应能够极大提高催化剂的氧还原活性。然而，过渡金属在燃料电池强酸、强氧化、高电势的工作环境下容易发生溶解与流失，从而降低催化剂的活性及稳定性。同时流失的过渡金属粒子会通过浓差迁移至质子交换膜上，对膜造成不可逆的降解，最终缩短燃料电池的寿命。Pt与过渡金属高温热处理并通过酸洗去除过渡金属的方法可有效缓解过渡金属流失的问题。但以常规的碳载体(如XC-72、BP2000等)高温热处理过程容易导致纳米颗粒的烧结与团聚，降低催化剂的利用率。近年来，非贵金属氮碳氧还原催化剂(如Fe-NC、Co-NC、Mn-NC等)在严苛的酸性条件下取得长足进展。其较大的比表面积适用于纳米颗粒的均匀分散，非贵金属氮碳载体与Pt纳米颗粒的催化协同作用有利于催化活性的进一步提高。

中国专利(109616671A，110649273A)以氧化石墨烯为载体，通过贵金属前驱体与非贵金盐共混的水溶液体系，冷冻干燥形成分散性高的前驱体，高温热处理形成合金过程能够避免纳米颗粒的烧结与团聚。但该工艺需添加额外的过渡金属盐溶液。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池非贵金属氮碳负载铂合金电催化剂及制备方法与应用，本发明采用具有催化活性的非贵金属氮碳做载体，采用超声浸渍还原及高温焙烧工艺制备了一种燃料电池电催化剂。该电催化剂具有较高的催化剂活性及稳定性，较大的电化学活性面积有利于催化剂利用率的提升，进而降低燃料电池成本延长其寿命。同时制备方法简单，制备过程可控，易于批量化生产。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种燃料电池非贵金属氮碳负载铂合金电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将锌基咪唑类金属有机框架在惰性气体氛围中高温碳化，得到金属氮碳载体；

(2)将铂前驱体与所述金属氮碳载体在水或有机溶剂中分散均匀，得到混合液；

(3)将所述混合液挥发溶剂后得到固体产物；

(4)将步骤(3)中得到的固体产物在还原性气氛中200-300℃下低温还原后，再700-950℃下高温焙烧，得到铂合金催化剂；

(5)将步骤(4)中得到的铂合金催化剂酸洗，干燥，得到所述铂合金电催化剂。