[发明专利]一种碳固载纳米铂催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳固载纳米铂催化剂的制备方法，尤其是一种属于材料合成和电化学技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其运行温度低(80℃左右)、功率密度高、启动快、功率匹配速度快等优点受到广泛关注。在诸多类型的燃料电池中，H₂/空气PEMFC是轻型汽车和建筑物供能的首选。然而PEMFC阴极氧还原反应动力学缓慢，需要价格昂贵的铂(Pt)金属对其进行催化，这极大地阻碍了PEMFC大规模应用的进程，而提高铂的利用率以及活性是解决该问题的主要途径。

当燃料电池催化层的铂载量一定时，提高铂碳Pt/C催化剂自身的铂含量可以有效地减薄催化层厚度，从而降低电池的欧姆阻抗以及传质阻力，进而提高催化剂的利用率以及电池性能并降低燃料电池成本。现有Pt/C催化剂制备的研究报道颇多，制备得到的铂含量以及分散性也各有不同，主要的方法有胶体法、液相还原法以及浸渍法等，有的方法使用乙烯乙二醇(EG)，四氢呋喃(THF)，N、N-二甲基甲酰胺(DMF)等有机物作为溶剂；有的使用六羟基铂酸或者铂酸盐作为铂源；有的使用大分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，聚N，N-二甲基苯胺以及聚丙烯酸钠等作为稳定剂，而这些方法用于实际大规模生产可能会出现如下的问题，如环境友好问题、工序繁琐问题、原材料昂贵问题，催化剂上有害物质残留问题等，且当需要制备的Pt/C催化剂中Pt含量要求高(＞40％)时，铂颗粒粒径极易变大且在碳载体上的分散性也变差，这反而影响了铂的利用率，从而开发适于规模化生产的铂含量高且分散性好的Pt/C催化剂制备工艺对于推进PEMFC的商业化进程非常重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有Pt/C制备技术存在的问题，提供一种简单易操作的高铂含量Pt/C催化剂的合成方法，采用该方法所制成的催化剂铂含量较高、铂颗粒分散性好且催化氧还原性能好。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种碳固载纳米铂催化剂的制备方法，其包括如下步骤：

a、制备含有铂源和碳载体的悬浮液；

b、在步骤a制备的悬浮液中加入酸至体系的pH为2～10，再加入还原剂，于60～100℃进行还原反应；或

将步骤a制备的悬浮液进行过滤，将滤渣进行干燥后在氢气与惰性气体的混合气氛中加热至200～300℃进行还原反应；

c、将步骤b得到的产物进行洗涤干燥，得到碳固载纳米铂催化剂；

其中，步骤a中所述的悬浮液的制备方法为：将含有铂源的混合溶液加热至50～100℃后，加入碳载体，分散均匀；或将碳载体加入到含有铂源的混合溶液中，分散均匀后，加热至50～100℃。

作为优选方案，所述含有铂源的混合溶液由尿素、碱金属盐、碱土金属盐、碱中的至少一种与铂化合物共同溶解于水溶剂中形成。

作为优选方案，所述铂源选自氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、氯铂酸铵、六羟基铂酸钠、六羟基铂酸钾、二氯四氨合铂、四氯六氨合铂和氯化铂中的至少一种。

作为优选方案，所述碳载体选自炭黑、活性炭、石墨碳、碳纳米管、碳纳米纤维和介孔碳中的一种。

作为优选方案，所述酸为硝酸、醋酸、柠檬酸中的至少一种。

作为优选方案，所述还原剂为甲酸、甲醛、水合肼、硼氢化钠、L-抗坏血酸和乙二醇中的一种。

作为优选方案，步骤c中所述的洗涤的方式包括滤膜透析和过滤；所述干燥的方式为真空干燥、喷雾干燥、冷冻干燥或普通加热干燥。

作为优选方案，所述碱金属盐或碱土金属盐包括碱金属或碱土金属的碳酸氢盐、碳酸盐、磷酸盐或磷酸氢盐，如LiHCO₃、NaHCO₃、KHCO₃、CsHCO₃、Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、Cs₂CO₃、Na₃PO₄、K₃PO₄、Na₂HPO₄以及K₂HPO₄等。

作为优选方案，所述铂源的总摩尔数与还原剂的摩尔数之比为(1：2)～(1：20)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、制备方法经济简便易实现；