[发明专利]一种碳载纳米Pt-Co合金催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种碳载纳米Pt‑Co合金催化剂及其制备方法和应用。本发明催化剂是一种碳负载铂钴合金，记为Pt‑Co/C，其中，金属Pt的负载质量百分比为5%~50%，金属Pt与金属Co的原子比为1:1~10:1；中心粒径为2~6 nm。制备方法包括制备原料碳浆、加入还原剂进行还原和后处理步骤。本发明方法于水相中制备且条件温和，具有节能环保、成本较低、粒径可控、合金化程度高、分散性良好、Pt利用率高、化学计量比可控等优点。本发明催化剂可用于氢氧质子交换膜燃料电池的阴极氧气还原反应电催化，其反应活性和稳定性明显优于传统Pt/C催化剂。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种碳载纳米Pt-Co合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种能将化学能转化为电能的电化学发电装置，由于燃料电池工作不经过热机过程，因此不受卡诺循环限制，其能量转换效率可达60%。燃料电池在有连续的燃料供给的情况下，可以连续工作，且噪音低，效率高，几乎没有有害气体排放。由于上述优点，燃料电池在对新能源的有效运用方面是极具应用前景的。我国官方发布的《中国制造2025》和《中国能源技术革命创新行动计划（2015-2030）》中均提及在燃料电池方面加大投入，并制定了相关目标。其中，氢氧质子交换膜燃料电池作为一种低温燃料电池，在目前受到广泛关注，在车用燃料电池领域有较大应用前景。

氢氧质子交换膜燃料电池是由阳极和阴极两个半电池组成的，在阳极发生氢气氧化反应，在阴极发生氧气还原反应，两个半电池加和的总电池反应是氢气和氧气反应生成水。目前，氢氧质子交换膜燃料电池实现商业化最大的障碍就来源于阴极氧气还原反应迟缓的反应动力学导致的较高的氧气还原过电位。因此，寻找合适的氧气还原反应催化剂对氢氧质子交换膜燃料电池的应用有着重大意义。

氧气在阴极催化剂表面的还原一般被认为有以下路径:氧气直接电还原反应生成水，没有中间产物过氧化氢，这被称为直接四电子路径；而生成中间产物过氧化氢后，过氧化氢有可能经过间接四电子路径反应继续生成水，也有可能经过二电子路径反应催化裂解生成氧气或者脱离催化剂表面进入水溶液中。从反应效率的角度而言，我们更希望氧气还原反应沿四电子路径进行，而二电子路径则被我们视为副反应。对于四电子路径，能否取得对氧气吸附解离和对含氧物种（O*和OH*）的脱附的平衡，也就是说对含氧物种（O和OH）的吸附/脱附能力是否处于适宜区间，决定了氧气还原反应的限速步骤，也决定了氧气还原反应的整体速率。

Pt是氧气电还原反应单金属催化剂中对含氧物种（O和OH）的吸附/脱附能力最适宜的金属，但相对于氢气氧化反应来说，即使是Pt/C催化的氧气还原反应反应速率仍然较慢，其氧气还原反应过电位也依旧偏高，因此，我们需要设计更高活性的氧气还原反应催化剂，催化剂的合金化就是可能途径的一种。当Pt与3d族过渡金属形成合金时，由于配体效应和张力效应的作用，Pt的电子结构会被调制，其d带中心位置下移，从而诱导Pt对含氧物种的吸附能减弱，使吸附能更为适宜。因此，Pt与3d族过渡金属合金催化剂的设计与合成对氧气电还原阴极催化剂的发展有重要意义，而其中Pt-Co/C催化剂是目前公认的最有效车用燃料电池阴极氧气电还原过程催化剂。