[发明专利]一种作为氧还原电催化剂的三维纳米多孔Pt3Y合金及其制备、对氧还原性能的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为氧还原电催化剂的三维纳米多孔Pt₃Y合金，属于燃料电池催化剂领域。本发明还涉及作为氧还原电催化剂的三维纳米多孔Pt₃Y合金的制备及对氧还原性能的测试方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是将化学能转化为电能的装置，不受卡诺循环的限制，能源转换率高且环境友好，是未来新能源体系的重要组成部分。目前，PEMFCs的大规模商业化应用的主要障碍是:大批量Pt催化剂的使用和阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢。因此，开发具有优越的ORR质量活性和更高的催化耐久性的低Pt用量甚至无Pt的氧还原催化剂至关重要。

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算，Pt₃Y在理论上被认为是一种具有高活性、高稳定性的氧还原催化剂。近年来，国内外研究人员进行了大量的研究，并取得了一些成果。[参见：(a)J.Greeley,I.E.L.Stephens,A.S.Bondarenko,T.P.Johansson,H.A.Hansen,T.F.Jaramillo,J.Rossmeisl,I.Chorkendorff,J.K.Norskov,Nat.Chem.1(2009)552-556.(b)S.JongYoo,S.K.Kim,T.Y.Jeon,S.JunHwang,J.G.Lee,S.C.Lee,K.S.Lee,Y.H.Cho,Y.E.Sung,T.H.Lim,Chem.Commun.(Camb.)47(2011)11414-11416.(c)S.J.Yoo,K.-S.Lee,S.J.Hwang,Y.-H.Cho,S.-K.Kim,J.W.Yun,Y.-E.Sung,T.-H.Lim,Int.J.HydrogenEnergy37(2012)9758-9765.(d)S.J.Hwang,S.K.Kim,J.G.Lee,S.C.Lee,J.H.Jang,P.Kim,T.H.Lim,Y.E.Sung,S.J.Yoo,J.Am.Chem.Soc.134(2012)19508-19511.(e)I.E.L.Stephens,A.S.Bondarenko,L.Bech,I.Chorkendorff,ChemCatChem4(2012)341-349.(f)P.Hernandez-Fernandez,F.Masini,D.N.McCarthy,C.E.Strebel,D.Friebel,D.Deiana,P.Malacrida,A.Nierhoff,A.Bodin,A.M.Wise,J.H.Nielsen,T.W.Hansen,A.Nilsson,I.E.Stephens,I.Chorkendorff,Nat.Chem.6(2014)732-738.]。但是Pt₃Y催化剂的合成方法复杂，成本也相对较高，不适合大批量生产。为了最大化Pt₃Y合金的ORR催化活性，目前众多的研究致力于发明各种各样的Pt₃Y合成方法。虽然有一些化学方法成功地合成了纳米结构的Pt₃Y或类似的催化剂，但催化活性并不高。[参见：(g)K.G.Nishanth,P.Sridhar,S.Pitchumani,Electrochem.Commun.13(2011)1465-1468.(h)M.K.Jeon,P.J.McGinn,J.PowerSources196(2011)1127-1131.]。

脱合金法是一种制备三维双连续纳米多孔金属的有效方法，所制备的产物形貌、组份、尺寸可控，结构稳定，适合批量生产，在催化和传感领域都有广阔的应用前景。研究发现，通过脱合金方法制备的Pt基合金催化剂(例如Pt与Fe，Ni，Cu等相结合)，展现出了比纯Pt更高的氧还原催化性能，这可能是由于两种或者两种以上的金属之间产生的增效催化效应。[参见：(i)R.Wang,C.Xu,X.Bi,Y.Ding,EnergyEnviron.Sci.5(2012)5281-5286.(j)J.-l.Shui,C.Chen,J.C.M.Li,Adv.Funct.Mater.21(2011)3357-3362.(k)X.Ge,L.Chen,J.Kang,T.Fujita,A.Hirata,W.Zhang,J.Jiang,M.Chen,Adv.Funct.Mater.23(2013)4156-4162.]。目前，利用脱合金法制备纳米多孔Pt₃Y合金作为氧还原电催化剂还未见报道。

发明内容