[发明专利]一种阶梯状Pt-Au核壳结构催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于新型催化型电池的高Pt利用率的Pt-Au二元催化剂的制备方法。

背景技术

催化剂是制约催化型电池性能最关键的因素。在诸多类型的催化剂中，贵金属催化剂的催化活性是其中最突出的。为了突破成本限制，人们一直致力于研究低贵金属载量高催化效率的催化剂。以贵金属为壳、较便宜金属为核的核壳结构催化剂因其高效的贵金属利用率和异体金属间的电子效应，受到人们的广泛关注。目前，制备核壳结构催化剂主要是通过化学法，如胶体法、热分解法、化学置换法等，这些方法制备过程繁琐，且不易实现壳层金属的单层覆盖，因此很难实现最高的贵金属利用率。近年来，采用欠电位沉积法结合化学原位置换法来制备单原子壳层的核壳结构催化剂受到人们的广泛青睐。

发明内容

本发明的目的是提供一种阶梯状Pt-Au核壳结构催化剂的制备方法，通过两步欠电位沉积法和两步非一致性化学原位置换完成，所得Pt-Au核壳结构催化纳米粒子具有阶梯状的表面形貌。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种阶梯状Pt-Au核壳结构催化剂的制备方法，包括如下步骤：

一、制备Au/C催化剂

制备催化剂的技术主要有浸渍还原法、乙二醇法、胶体法、电化学法以及物理法等，本发明中Au/C的制备通过浸渍还原法，具体步骤如下：

（1）前期准备：将40mgXC-72R炭黑（该处可包括碳纳米管、石墨烯等所有碳材料和氧化物等载体材料）在超纯水中超声分散30min；称取硼氢化钠19.22mg溶解在0.508mL0.1mol/L的柠檬酸钠冰水溶液中。

（2）首先在150mL超纯水中加入0.1mol/L的柠檬酸钠超纯水溶液1.015mL，搅拌均匀；然后向溶液中加入0.0117mol/L的氯金酸超纯水溶液4.335mL，搅拌均匀；加入已配置好的硼氢化钠溶液，搅拌30min；最后加入已分散处理好的炭黑，超声处理5h。

（3）用2L超纯水（此处不少于2L即可）抽滤洗涤后真空冷冻干燥，即得Au/C催化剂。

二、制备Au/C薄膜电极及电极活化

Au/C薄膜电极的制备采用常规方法，具体步骤如下：

（1）催化剂膜层电极制备前，需配置催化剂浆液。用电子天平称取一定量的催化剂粉末于试剂瓶中，向试剂瓶中加入超纯水和无水乙醇（1:1），配置成1mg/mL的浆液，在超声振荡机中超声分散30min（此处催化剂浆液制备亦包括用Nafion乙醇溶液分散）。

（2）玻碳电极在使用之前需对其表面进行预处理。依次选用50nm和30nm的Al₂O₃抛光粉，通过超纯水的润湿作用在抛光布上对电极进行抛光处理，抛光完成后在超纯水中进行超声清洗10~20s，后用超纯水冲洗干净。

（3）用微升移液器量取7.5uL浆液滴在玻碳电极表面，让浆液自由铺展并自然晾干；后向电极表面滴加5uL0.05mass%Nafion乙醇溶液，自然晾干后即制备完成Au/C薄膜电极。

（4）对制备好的Au/C薄膜电极进行实验前活化，即在0.5M H₂SO₄溶液中进行循环伏安扫描，扫描电位范围为0.05~1.7V（均相对于RHE），扫描速率为1~100mV/s，圈数为50~100。活化在标准三电极电解槽中完成，工作电极为负载有催化剂的玻碳电极，辅助电极为Pt片，参比电极为 Hg/Hg₂SO₄ 电极，所涉及到的电极电势均相对于RHE。

三、第一步欠电位沉积

第一步欠电位沉积及后续的第二步欠电位沉积均在三电极电解槽中完成，工作电极为负载有催化剂的玻碳电极，辅助电极为Pt丝，参比电极为 Hg/Hg₂SO₄ 电极，所涉及到的电极电势均相对于RHE。

（1）确定欠电位沉积的电位：将步骤二中活化好的负载有催化剂膜层的玻碳电极在Ar气饱和的10~50mMH₂SO₄+10~50mM CuSO₄中进行循环伏安扫描，扫描电位范围为0.302~1.2V，扫描速率为1 ~50mV/s之间任意扫描速率。结束后在1.1~1.3V恒电位处理120~720s。

（2）选择0.372~0.352V为终止电位，采用1~50 mV/s扫描速率以OCP为起始电位进行线性伏安扫描，结束后在终止电位处恒电位沉积60~240s。

四、第一步化学原位置换