[发明专利]双模式介孔铂与非过渡族金属的金属间化合物催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域：

本发明涉及介孔金属间化合物的制备及其作为燃料电池催化剂的应用

背景技术：

由于环境问题日益严峻，化石燃料面临枯竭，可再生能源的生产、转化和存储技术受到了广泛的关注和研究。质子交换膜燃料电池通过氧化氢气产生电能，其唯一的副产品就是水，尤其在交通运输应用方面，它可以作为化石燃料的理想替代品。然而质子交换膜燃料电池商业化面临的最大挑战是目前作为氧还原反应的阴极催化剂材料催化活性和稳定性不够好。目前商用的质子交换膜燃料电池使用的催化剂为碳负载铂纳米粒子，但是由于氧还原反应动力学损失造成较高的过电位，再加上长期作业造成的巨大的电化学活性面积的损失，使得装置效率低、成本高。

针对这个问题，研发旨在减少阴极铂负载量，甚至用非贵金属或非金属材料取代铂基催化剂的具有优越的氧还原反应催化活性和稳定性的新型材料至关重要。其中一个比较有吸引力的创造新颖催化剂材料的方法就是合金化，由于配体效应或几何效应，使得合金的氧还原反应催化性能显著提升。目前，通过设计双金属纳米催化剂，使氧还原反应的活性得到了很大的提升。然而，大量的研究都局限于铂与过渡族金属的合金化，这种合金化的催化剂在酸性燃料电池中的稳定性不容乐观。

发明内容：

本发明的目的是提供一种铂与非过渡族金属形成金属间化合物的制备方法，和其作为燃料电池催化剂的应用。该发明通过合金化和去合金化的方法制备具有介孔结构的新型金属间化合物。该介孔结构包括单原子层厚的铂表层和Pt₃Al或Pt₅Al的亚表层，其显著增强了氧还原反应催化活性。准周期性的介孔催化剂由于铂/合金的结构，显著增强了其结构稳定性。

本发明涉及的一种新型的铂与非过渡族金属形成金属间化合物的制备方法和其作为燃料电池催化剂的应用，具体内容如下：

一种铂与非过渡族金属形成介孔金属间化合物的制备方法，包括以下步骤：

a、在真空条件下，将纯度99.99%的Pt和纯度99.95%的Al在电弧炉中熔炼，获得其铸锭；

b、将铸锭在高纯氩气气氛中用甩带的方法制备合金薄带，其具体成分为Pt₁₂Al₈₈；

c、在～25℃，将条带用化学去合金化法在氮气饱和的1M碱溶液中腐蚀，得到介孔Pt₃Al；将条带用连续化学去合金化法在氮气饱和的1M碱溶液中腐蚀，得到介孔Pt₅Al；

d、将去合金样品用超纯水彻底清洗以移除介孔中残留的化学物质。

所述步骤a中铸锭的成分不仅仅局限于Pt和Al，还包括Pt和其它非过渡族金属元素。

步骤b中所述甩带方法制备的合金薄带，由于转速不同，薄带的截面尺寸不同：10～30μm×0.5～2mm。

步骤c中所述连续化学去合金化法指的是先在室温下腐蚀20min，然后在95℃腐蚀90min。

所述的铂与非过渡族金属形成介孔金属间化合物的制备方法制备出介孔Pt₃Al和Pt₅Al，其作为电极材料进行电化学测试，包括以下步骤：

a、将浓度为2.2mg/ml的介孔Pt₃Al或Pt₅Al与卡博特炭黑Vulcan XC72的混合物超声分散在含0.05wt%的Nafion，20.95wt%的异丙醇和79wt%的超纯水的混合物中，制成催化剂墨汁；

b、将制备好的介孔Pt₃Al或Pt₅Al催化剂墨汁～10μl滴到直径为5mm的玻碳旋转圆盘电极上，干燥后得到均匀的薄膜；

c、将步骤b中所述旋转圆盘电极作为工作电极，Pt片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，所有的电势都校准到可逆氢电极；

d、用所述旋转圆盘电极作为工作电极进行电化学测试时，将循环伏安特性曲线的电势范围定为0.05～1.2V进行循环伏安法扫描，电解质为氮气饱和的酸溶液；将氧还原反应极化曲线的电势范围定为0.05～1.05V进行线性伏安法扫描，扫速为10mV/s，旋转电极转速为1600rpm，电解质为氧气饱和的酸溶液；

e、所述电极材料用于燃料电池的阴极纳米催化剂材料，作为工作电极，具有良好的氧还原反应催化活性和稳定性。

本发明的技术效果是：

本发明制得的介孔Pt₃Al和Pt₅Al金属间化合物具有高催化活性和稳定性。它是新一代燃料电池理想的阴极纳米催化剂材料。