[发明专利]一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明属于贵金属电催化剂技术领域，尤其涉及一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用。将铂金属盐、过渡金属M盐以及表面活性剂分散于具有还原性的有机试剂中，超声后加入结构引导剂，再超声；一定气氛下，置换反应体系中的空气；提高温度并在某一温度维持1～5h；冷却后离心洗涤得到Pt/M异质结构纳米线，分散在溶液中待用；将碳载体分散于溶液中，超声后得到悬浊液；加入分散好的Pt/M异质结构纳米线，再超声；离心洗涤干燥即得。本发明通过调控有机试剂的还原性、控制反应气氛，调节表面活性剂，制备了高分散、高产率的Pt/M异质结构纳米线，适用于氢氧根交换膜燃料电池阳极的氢氧化反应。

技术领域

本发明属于贵金属电催化剂技术领域，尤其涉及一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用。

背景技术

燃料电池是21世纪首选的发电装置，具有能量转化效率高、运行温度低、启动快和能量密度高等优点，可广泛应用于航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域，特别是在新能源汽车领域，具有重要的应用价值。在不同种类的燃料电池中，氢氧根交换膜燃料电池已备受关注，因为大量高质量、高性能的氢氧根交换膜以及阴极氧还原反应(ORR，1/2O₂+H₂O+2e^-→2OH^-)非贵金属电催化剂已经被开发。然而氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化反应(HOR，H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-)速率要比酸性介质低1-2个数量级，制约着氢氧根交换膜燃料电池的商业化进程。因此，开发高性能的氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化电催化剂，尤其引入过渡金属且制备优势暴露特殊晶面的Pt/M异质结构电催化剂以提高Pt金属利用率已成为了氢氧根交换膜燃料电池领域内的一个新的研究热点。

Alesker等通过Ni纳米颗粒与氯钯酸钠电化学置换制备Pd/Ni异质结构碱性HOR电催化剂，异质结构电催化剂性能明显优异于纯Pd电催化剂，但是该异质结构电催化剂的形貌主要是球形，本征活性不高(Journal ofPower Sources,2016,304,332-339)。

Scofield等在磁力搅拌的条件下，将氯铂酸的水溶液以及Ru、Co、Fe、Cu、Au金属的可溶性盐与十六烷基三甲基溴化胺溶解到氯仿相中，然后加入还原试剂-硼氢化钠水溶液，得到PtM合金纳米线网碱性HOR电催化剂。该方法制备的纳米线网分散性较差，不利于金属活性位的暴露，进而电催化剂的碱性氢氧化活性不高(ACS Catalysis,2016,6,3895-3908)。

近几年，通过科学家们的努力已经制备出高度分散的纳米线形貌的Pt基纳米结构电催化剂。例如，叶春苗等将Pt、Rh金属化合物、双十二烷基二甲基溴化胺分散在油胺中，然后加入羰基钨，经高温反应得到PtRh纳米线，相比商业Pt/C，PtRh纳米线/C的ORR质量比活性提高了8倍(专利申请号：201710148338.5)。于晓飞等将Pt、Cu金属化合物、碘化钾加入油胺，经高温反应得到PtCu纳米线，其甲醇氧化活性是商业铂黑的1.46倍(专利申请号：201610996746.1)。吴显政等将Pt、Ni金属化合物、葡萄糖、十六烷基三甲基氯化铵加入油胺，经高温反应得到Pt₃Ni@PtNi₂核壳结构纳米线，其体现极好的氢加成选择性(专利申请号：201611174149.7)。值得注意的是，上述纳米线结构的研究主要集中在ORR、甲醇氧化、氢加成等反应，没有应用于氢氧根交换膜燃料电池的阳极氢氧化反应。目前，还未见报道适用于氢氧根交换膜燃料电池的阳极氢氧化反应的碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用，通过调控有机试剂的还原性，控制反应气氛，调节表面活性剂，制备了高分散、高产率的Pt/M异质结构纳米线。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：