[发明专利]一种燃料电池用炭载铂铜合金多孔纳米线催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用炭载铂铜合金多孔纳米线催化剂及其制备方法，属于电化学技术领域；该催化剂的质量百分比组成为载体炭：70～80％，铜：3～10％，铂：10～27％。本发明采用铜纳米线作为牺牲模板，利用置换反应形成铂铜合金多孔纳米线，制备方法简单，适用于大规模生产。合金结构、多孔结构以及纳米线结构的结合可以有效地同时提高低铂催化剂的活性及稳定性，有利于促进燃料电池低铂催化剂的发展。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用炭载铂铜合金多孔纳米线催化剂(PtCu PNWs/C)及其制备方法，属于电化学技术领域。

技术背景

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置，由于其高的能量转换率、清洁无污染等优点，被认为是最有前途的能量转换装置，其发展越来越受到人们的重视。然而燃料电池还面临着成本及寿命等棘手的问题，其中阴极氧还原催化剂因为需要大量铂(Pt)，成本约占整个设备的30％，是造成燃料电池高成本的最重要原因之一。

在质子交换膜燃料电池中，阳极的氢气氧化产生电子和氢离子，氢离子经过质子交换膜传导到阴极，阴极的氧气发生还原反应，并与氢离子结合生成水，电子则通过外电路传导进行供电。为了提高氢氧化反应(Hydrogen oxidation reaction，HOR)和氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)的反应速率，两电极均采用了催化剂进行催化，HOR在铂(Pt)上的反应速率非常快，所需要的铂(Pt)负载量可以低至0.05mg/cm²。然而阴极的ORR反应动力学极其缓慢，需要大量的铂(Pt)进行催化，才能缓解电极极化造成的能量损失，实现较优异的燃料电池性能。但是铂(Pt)资源短缺，价格昂贵，严重阻碍着燃料电池的商业化进程，所以，人们正在积极研发可以替代铂(Pt)基催化剂的新材料。

为了降低铂(Pt)的用量，大量的研究正在进行。研究表明：过渡金属的掺杂可以调节铂(Pt)的电子结构，从而有效地提高单位质量铂(Pt)的活性，进而降低铂(Pt)的用量。除此之外，还可以通过结构的调控来提高铂(Pt)的利用率，其中，多孔结构可以有效地提高催化剂的比表面积，从而暴露更多的活性位点，成为有效提高铂(Pt)利用率的方法。一维纳米结构，因为其结构的各向异性，可以有效提高催化剂的稳定性，但是，目前一维多孔纳米线氧还原催化剂的研究却较少，可以大批量生产的方法更寥寥无几。

Zhao等人以铅(Pd)线模板，制备了铅(Pd)为核、铂(Pt)与镍(Ni)为外壳的纳米线，在30000个电位循环(0.6-1.1V，100mV/s)后，质量活性仍然是商业铂炭催化剂的16.5倍，但是，铅(Pd)仍然是一种价格昂贵的金属，采用铅(Pd)作为内核，不利于降低催化剂的成本，而且表层的镍(Ni)仍然存在着在运行环境中溶解的可能，会逐渐降低催化剂的活性，因此，如果需要长时间使用，还存在一定难度。Qiu等人报道了一种可以大规模生产的多孔合金纳米线，通过脱合金制备了一种直径200～500nm的PtCuAu合金多孔纳米线，通过形成合金结构，可以有效提高铂的活性，而且多孔结构可以提高催化剂的比表面积，进一步提高催化剂活性，通过形成纳米线结构，可以有效提高催化剂的稳定性，因此，催化剂展现了良好的电化学活性，但是这种催化剂的半径较大，很大部分的内部金属都没有被利用。

因此，开发一种制备工艺简单、成本低廉、铂利用率高、活性及稳定性都较好的催化剂成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的主要目的在于制备一种制备工艺简单、成本低廉、铂利用率高、活性及稳定性都较好的燃料电池催化剂。

为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：

一种燃料电池用炭载铂铜合金多孔纳米线催化剂，由载体与活性组分构成，其特征在于，所述活性组分为铂铜合金多孔纳米线；其组成质量百分比组成为：载体炭：70～80％，铜：3～10％，铂：10～27％。

优选的，所述的载体炭为商业XC-72炭黑。