[发明专利]一种fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂及其合成方法

说明书

本发明提出了一种fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂及其合成方法。采用多元醇还原法，在N₂保护气氛中，将金属前驱物(无水FeCl₂、乙酰丙酮铂、乙酰丙酮铜)、1,2‑十六烷二醇、油酸和油胺在有机溶剂十六胺中加热反应并进行搅拌。经过加热，冷却，再加入正己烷、乙醇，离心分离，移去上清液，沉淀物干燥后得到纳米颗粒产物，并测定其结构、磁性、催化活性，fct‑FePtCu三元合金纳米颗粒的直径为9～15纳米，矫顽力达900～4800Oe，HER电催化性能表征在10mA/cm²条件下过电势塔菲儿斜率b＝23.6～28.2mV/dec，ORR电催化性能优异。本发明一步合成出了性能优越的fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂。不需高温退火处理，制备简单，成本低，催化活性高，催化剂稳定性好。作为HER、ORR电催化剂在应用中具有很大的潜力。

【技术领域】

本发明属于纳米技术与催化领域。更具体地，本发明涉及一种面心四方结构FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂及其合成方法，其析氢演化反应(HER)和氧气还原反应(ORR)性能非常优越，适用于电解水制氢和燃料电池上使用。

【背景技术】

能源是当今世界各国的一个重要战略发展领域，寻找高效能源是科技界目前共同面临的一个挑战和机遇。化石燃料的不可持续性,以及燃烧化石燃料释放的有害气体导致的环境污染、大量CO₂产生的温室效应等严重的全球性问题驱使着人类对新能源的不断探索。氢能源是一种具有高燃烧值、清洁并且无污染的能源[1]。氢能源作为可持续、清洁能源，获得世界各国研究学者的广泛关注。目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得,这必然会加剧非可再生能源的消耗并且带来环境污染问题。因此,利用水分解制氢则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一。

工业电解水已经有一百多年的历史了，电解水制备的氢气被认为是最佳的能源载体[2]。它可以使再生能源与能源的最终使用达到平衡，然而由于电解水制氢的催化剂催化效率低且能耗高，大大限制了其大规模的生产。近年来，电解水制氢的研究集中于提高电极材料的催化活性，从而降低析氢反应过程中同等阴极反应电流下的过电势。目前，铂系贵金属是电解水产氢效率最高的电催化剂，然而铂系金属为稀有贵重金属，用来做电解水催化剂会导致成本升高，并且铂(Pt)系贵金属容易被硫毒害[3]。在酸性电解液中，Pt作为HER效率最高的电催化剂，其使用的局限性使得研究人员们一直致力于寻找可与其媲美的阴极催化剂，这种析氢电极材料不仅要有较好的稳定性，更要在成本上有所降低。如制备铂基金属合金，利用地球上大量存在的非贵金属合成非Pt催化剂，如硫化物，磷化物，碳化物等。氢气作为清洁能源的原因是其作为燃料电池的燃料，在阳极发生氢气氧化反应(HOR)，在阴极发生氧还原反应(ORR)反应释放电能，同时生成物只有水而不产生有害物质。目前，关于燃料电池的研究的关键集中于提高阴极ORR催化剂的性能和降低Pt的担载量。商业用的ORR催化剂为Pt/C纳米颗粒。研究表明，采用Fe，Co，Ni，Cu等合金化Pt可以提高Pt的催化活性和电化学稳定性，并具有优于商业Pt/C纳米颗粒的性能[4]。

2000年IBM华盛顿研究中心孙守恒教授用高温有机过程方法成功合成自组装纳米磁性FePt二元合金阵列，这种方法合成的FePt阵列是面心立方(fcc)相，需要经高温退火使FePt由fcc相转变为面心四方(fct)相，其性能才能提高。但是该方法在高温退火过程中纳米颗粒会发生团聚。为了解决该问题，不少研究小组采取掺杂的方法，例如用Au、Ag、Sb等金属掺杂降低体系相变温度，从而在一定程度上改善了颗粒团聚[5]。

如何寻找新的合金纳米颗粒，使其具有更高的析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)的性能，是当前开发新能源中亟待解决的问题。本发明人在此研究方法的基础上经过大量试验研究，通过引入Cu元素，一步合成出了fct相高HER性能FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其在燃料电池的应用中也具有很好的潜力。

【参考文献】