[发明专利]一种具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金催化剂纳米材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金纳米催化剂材料及其制备方法与应用。本发明制备方法以氯铂酸及醋酸镍为前驱体，借助乙二醇为溶剂，利用苯甲酸在晶体合成中的导向性作用，最后经过一锅法加热进行反应，制备得到具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金催化剂纳米材料。本发明制备方法的原料价格相对较低，操作简便可控，易操作，重复性高，绿色环保，易于实现规模生产，制备的Pt/Ni合金纳米催化剂材料表现出对氧还原反应的良好催化活性，超过商用铂催化剂的水平。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金催化剂纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

化石能源，如石油、天然气与煤炭的广泛使用推动了人类社会的快速发展，但是化石能源的不可再生以及使用过程带来的环境问题是人类面临的的两大难题。开发出环境友好、可再生的新能源和新能源技术已经成为当今世界最为重要的研究热点，引起人们的广泛关注。燃料电池是一种不经过燃烧直接将化学能转化为电能的新型能量转换系统，与其他新能源技术相比，具有能量转换密度高，污染小，燃料多样化，可靠性高，噪音低及便于维护等优点，被广泛认为是最有可能得到大规模商业化应用的新能源技术。而其中质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)更是具有工作温度低、能量密度高、启动速度快等优点，有望应用于燃料电池电动汽车及便携能源领域。

目前，PEMFC的研究已经取得了很大的发展，并陆续有示范性的质子交换膜燃料电池发电站、电动车、手机电池等面世。但是其寿命低、效率低和成本高的缺陷限制了它的大规模商业化应用。其中成本高主要因为是Nafion膜和催化剂成本过高，其中催化剂使用的铂系贵金属，成本高且储量有限。即铂基催化剂问题是限制PEMFC广泛应用的主要因素。其中阴极氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)速率比阳极氧化反应低数个数量级，所以需要比阳极更多的铂基催化剂用于加速氧还原反应的进行。因此，开发出低成本、高活性、高稳定性的ORR催化剂对推动燃料电池的大规模商业化应用意义重大。针对这一问题，目前一般有两种解决方法：第一种方法是提高单位Pt的利用率，降低 Pt用量；第二种方法则是寻找新的高效催化剂替代传统Pt催化剂。与此同时尽管有很多关于廉价非铂催化剂的研究，但是在众多的燃料电池阴极催化剂材料中，贵金属Pt基催化剂仍然是最有效的催化剂，目前也并未形成大规模可见的商业化替代品。在当前技术下，铂及其合金是最具实际意义的用于加速燃料电池阴极氧还原反应的纳米粒子催化剂。所以替代或部分替代Pt基合金催化剂才是降低燃料电池成本促进其最终走向产业化的根本途径，这也是近年来关于燃料电池阴极催化剂研究的热点之一。

经过几十年的研究，大量的Pt基过渡金属合金都被发现有优于单纯Pt的 ORR活性，如PtPd合金(ACS Catal.2016，6，3428-3432)、PtAu合金(J.Am.Chem. Soc.2015，137，12597-12609)、PtFe合金(Adv.Mater.2016，28，10673-10678)、 PtCo合金(ACSAppl.Mater.Interfaces 2012，4，6228-6234)及PtNi合金(Science 348(6240)，1230-1234)等。

理论上Pt与Ni形成的合金应具有突出的氧还原催化活性，并且在这些研究中也发现了类似的现象，因此采用一锅法制备的铂镍合金催化剂也应具备良好的氧还原催化性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金催化剂纳米材料的制备方法。该方法以氯铂酸(H₂PtCl₆·6H₂O) 及醋酸镍(Ni(CH₃COO)₂)为前驱体，借助乙二醇为溶剂，利用苯甲酸在晶体合成中的导向性作用，最后经过一锅法加热进行反应，制备得到具体为Pt/Ni合金纳米氧还原催化剂材料，即具备高效电催化氧还原性能的铂镍合金催化剂纳米材料。