[发明专利]铂稀土合金@铂核壳催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种铂稀土合金@铂核壳催化剂、制备方法及其应用，包括如下步骤：1）将铂前驱体、稀土前驱体、碳载体分别加入有机溶剂中超声分散均匀；2）将步骤1）所得溶液混合，油浴加热反应，反应后冷却至室温并离心烘干；3）将步骤2）所得样品在保护气氛下高温碳化；4）将步骤3）所得样品加入酸性溶液中加热搅拌，然后离心、洗涤、烘干，得到的黑色粉末即为铂稀土合金@铂核壳催化剂。本发明提供了一种制备铂稀土合金@铂核壳催化剂的方法，相较于磁控溅射等方法，不仅实现了铂稀土合金低成本高效的合成，而且通过调节反应比例、温度、时间等因素控制了铂稀土合金在碳基底上的尺寸大小及含量，实现了铂稀土合金大小和负载量的可控制备。

技术领域

本发明涉及无机纳米材料化学及电化学技术领域，具体涉及一种铂稀土合金@铂核壳催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，新型能源存储与转化装置的研究迫在眉睫。与此同时，利用弃水、弃风、弃核和太阳能等可再生能源来电解水制氢，并应用于氢燃料电池汽车，具有非常好的经济效益和可持续性发展的价值。然而阻碍燃料电池发展的核心问题是高成本的氧还原反应催化剂。商业铂碳是迄今为止最有效的氧还原反应催化剂，但是由于其成本高和稳定性差的问题阻碍了其大规模的推广应用。因此开发具有高效稳定性的低铂催化剂是一种行之有效的方法。

因此，为了减少Pt催化剂的负载量，科研工作者们做出了许多努力，例如（i）将纳米级Pt颗粒负载在高表面积石墨化碳载体上（Carbon, 2016, 107, 667-679）；（ii）设计以Pt作为壳以非Pt金属作为核的核壳结构纳米颗粒（Chem. Mater., 2018, 30, 1532-1539）；（iii）将Pt与过渡金属/稀土金属（La，Ce，Pr，Nd，Gd，Sm，Eu等）合金化（Science,2019, 11, 388-397）。在这些方法中，对Pt基合金催化剂的研究是最为重要和有效的方法之一，因为合金化可以同时减少Pt的量并大大提高ORR活性。但是由于过渡金属容易在循环过程中浸出，使得催化剂活性降低（J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 8813-8819）。因此迫切需要寻找高活性且稳定性好的Pt合金催化剂来制造成本低廉的燃料电池。为了解决这一问题，Greeley等人（Nat. Chem. 2009, 1, 552-556）通过理论计算证明了Pt与早期过渡金属（例如Y等）的合金化同时实现了高活性和耐久性。此后，Hernandez-Fernandez等人（Nat.Chem. 2014, 6, 732-738）通过气体聚集技术制备了PtxY纳米粒子，显示其具有优异的氧还原反应性能。Claudie Roy等人（ACS Catal., 2018, 8, 2071-2080）在H₂气氛下通过热还原法改性Pt / C催化剂合成了Pt_xY / C催化剂。

尽管已有研究工作者对于铂稀土合金催化剂进行了研究，但是大部分合成方法主要集中在磁控溅射法（Science, 2016, 352, 73-76）、熔融盐还原法（J. Am. Chem. Soc.,2017, 139, 5672-5675）、固态热处理法（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 12232-12240）、化学脱合金法（Sci. Rep., 2017, 7, 41826-41836）等方法中。由于这些合成方法成本较高、操作条件苛刻繁琐，不利于大规模的推广使用。因此，寻找操作简单、成本低廉、易于批量化生产的方法制备高分散铂稀土合金催化剂来提高电催化活性具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种铂稀土合金@铂核壳催化剂、制备方法及其应用，解决了现有合成方法成本较高、操作条件苛刻繁琐，不利于大规模的推广使用的问题。

实现本发明的技术方案是：

一种铂稀土合金@铂核壳催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1）将铂前驱体、稀土前驱体、碳载体分别加入有机溶剂中超声分散均匀；