[发明专利]一种Pdx@Pt/C核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Pd_x@Pt/C核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法，包括以下步骤：1）将钯前驱体和导电载体加入到N,N‑二甲基甲酰胺或乙醇中，超声混合后加入硼烷•N,N‑二乙基苯胺或硼氢化钠，在室温下反应0.5‑1.5小时后，离心洗涤、真空干燥后得到碳载Pd催化剂，即Pd/C；2）将上步制得的Pd/C超声分散在浓度为1‑5ml甲酸/20ml水的甲酸溶液中，按Pt与Pd的原子比为1:1、1:2或1:3加入铂化合物的水溶液，在室温下反应2~6小时，离心洗涤，真空干燥，即得到产物。本发明采用了原电池反应原理制备了具有高的催化活性和稳定性的催化剂，且成本相对纯Pt催化剂低廉，其制备方法简便、条件温和、易于操作，解决了常规化学还原法制备核壳结构催化剂需要高温、表面活性剂的问题。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，尤其涉及一种Pdx@Pt/C核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

贵金属Pt是目前燃料电池阴极氧还原反应最好的催化剂之一，然而，采用纯Pt作为燃料电池阴极催化剂存在性能低和稳定性较差的问题。另外，作为地球上其中一种最稀有的元素，高昂的成本亦极大的限制了其商业化应用。虽然Pt与3d过渡金属Fe、Co、Ni、Cu等形成的合金可以在一定程度上提高燃料电池阴极性能，但是这些3d金属在酸性条件下的易溶解性，导致了催化剂整体的稳定性变差。若将其制备成核壳结构M@Pt（M代表单金属或合金）催化剂，则可以在改善Pt的利用率同时，还能提高催化剂的稳定性。研究表明，Pd是对氧还原最合适的基底，它和Pt不仅都具有面心立方结构，而且具有相似的晶格常数和化学反应性。通过Pd核引起的Pt壳的轻微的压缩应变，能够改善其催化活性，另外，Pd核的存在能够提高催化剂的稳定性。常用的核壳结构催化剂的合成方法包括化学还原和欠电位沉积。化学还原一般需要较高的温度保证Pt的均匀包覆，以及表面活性剂来防止生成的Pt颗粒发生聚集；欠电位沉积Cu单层再进行Pt置换的方法无法实现满单层的包覆，而且制备的量非常少，难以实现大规模的制备。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明以提高燃料电池阴极性能、增加催化剂稳定性、降低Pt用量为目的，提供了一种Pdx@Pt(x=1,1.4,2)核壳结构燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

一种Pdx@Pt/C核壳结构燃料电池阴极催化剂的制备方法，包含以下步骤：

1）将钯前驱体和导电载体加入到N,N-二甲基甲酰胺或乙醇中，超声混合后加入硼烷•N,N-二乙基苯胺或硼氢化钠，在室温下反应0.5-1.5小时后，离心洗涤、真空干燥后得到碳载Pd催化剂，即Pd/C；

2）将上步制得的Pd/C超声分散在浓度为1-5ml甲酸/20ml水的甲酸溶液中，按Pt与Pd的原子比为1:1、1:2或1:3加入铂化合物的水溶液，在室温下反应2~6小时，离心洗涤，真空干燥，即得到产物。

作为上述方案的优选方案：

所述钯前驱体为乙酰丙酮钯。

所述导电载体为高比表面积碳。

所述导电载体为导电炭黑、活性炭、碳纳米管及石墨烯中的一种或几种。

所述铂化合物的水溶液为氯铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾或氯亚铂酸钠的水溶液。

本发明还提供上述方法制备的Pdx@Pt/C核壳结构燃料电池阴极催化剂，由导电载体和Pdx@Pt/C核壳结构纳米颗粒组成，催化剂中Pt的质量百分比含量为19~40%，所述Pd与Pt的摩尔比为1~2。

所述Pdx@Pt/C核壳结构为纳米级。

所述Pdx@Pt/C核壳结构的粒径范围为3~6nm。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：