[发明专利]一种担载型纳米电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种担载型纳米电催化剂的制备方法，所述方法基于有机溶剂和热处理共结合的方法进行表面活性剂去除，利用表面活性剂来有效控制催化剂的粒径与形貌，进而制备尺寸均一的担载型纳米电催化剂。表面活性剂经有机溶剂纯化后经过热处理被彻底去除，同时催化剂形貌不受影响。该方法操作简单、反应迅速且容易放大，适于商业化生产。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池催化剂领域，具体涉及一种担载型纳米电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池因其能量转换效率高、环境友好等特点，被公认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源转化技术，也被视为替代传统内燃机的最佳选择之一，在固定电站、交通运输和便携式电源等领域具有广阔的应用前景。在降低成本和提高电催化活性及稳定性目标的推动下，ORR催化剂在近几十年获得了非常显著的进步。在催化剂的制备策略上，研究人员往往引入表面活性剂来精确地调控催化剂的形貌、组成。但是表面活性剂的存在使得反应物分子无法达到催化剂表面，对催化活性有一定的抑制作用。如何完全去除表面活性剂并尽可能的不影响形貌仍然是一个巨大的挑战。近年来，国内外研究机构已经开展了相应的研发工作。

Stamenkovic,Markovic等利用三种方法来处理纳米电催化剂表面的表面活性剂，发现相比于醋酸处理法、UV-Ozone法，将催化剂在185℃下热处理能有效的去除表面活性剂。但是在实际的ORR反应中发现，催化剂表面的表面活性剂并没有完全去除。[Li,D D.；Wang C.；Tripkovic,D.；Sun,S H.；Markovic,N M.；Stamenkovic,V R.ACS Catal.2012,2,1358-1362]

D.Hien等发现，将催化剂置于H₂/N₂中在450℃中进行热处理可以彻底清除催化剂表面的表面活性剂，但是高温使得催化剂的形貌发生了改变。[Long N V.；Ohtaki M.；NogamiM.；HienT D.ColloidPolymSci,2011,289,1373-1386]

H.Yang等通过电化学方法可完全去除催化剂表面的表面活性剂，同时不破坏催化剂原有的形貌。但是这种方法只适用于实验室阶段，无法进行大规模应用。[Yang,H Z.；Tang,Y G.；Zou,S Z.ElectrochemCommun.2014,38,134-137]

已报道的合成方法存在Pt纳米催化剂形貌不易控制，制备过程中稳定剂难以彻底去除，不适于大规模处理等问题。较高的热处理温度使得纳米颗粒尺寸增大，导致电催化剂的活性降低，且易发生奥斯特瓦尔德(Ostwald)老化。

发明内容

基于以上技术问题，本发明结合热重和电化学等表征手段，考察处理方法对催化剂形貌、催化剂活性的影响。最后将该方法用于制备贵金属纳米催化剂。担载在载体上的近球形颗粒的粒径为1-5nm；本发明操作简单、反应迅速且容易放大。

本发明的目的是提供一种担载型纳米电催化剂的制备方法。该方法基于溶剂和热处理共结合的方法进行表面活性剂去除，该制备方法简单，易于控制，适于大规模生产。

本发明一方面提供一种担载型纳米电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将表面活性剂与金属前驱体溶解于憎水性溶剂中，超声分散5～60分钟后加入载体得到混合溶液；

(2)向所述混合溶液中加入还原剂后，于15～30℃下搅拌30～180分钟，然后升温到100-300℃于惰性气体气氛下反应3-24h；

(3)将步骤(2)得到的产物纯化，真空干燥6h以上；然后置于管式炉中于100-300℃下处理0.5-10h，得到所述担载型纳米电催化剂，此担载型纳米电催化剂经过纯化和惰性气氛热处理，表面无活性剂覆盖。