[发明专利]一种部分有序二维超晶体铂合金催化层的制备方法

说明书

针对目前Pt基催化剂活性差、稳定性低、利用率小的问题，本发明通过二维超晶体材料，有序地组装成特定尺寸和功能的燃料电池电极催化层。本发明巧妙的利用层状双氢氧化物表面裸露的金属阳离子与咪唑的强配位作用，将金属有机框架化合物携带纳米铂颗粒沿层状双氢氧化物二维表面生长成超晶体。通过热处理将二维超晶体碳化并同时去除层状双氢氧化物，形成三维框架结构的有序二维组装，进而形成燃料电池部分有序催化层。该催化层在超低Pt载量燃料电池中，表现出优异的电催化性能、优异的稳定性和抗溺水性能。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种部分有序二维超晶体铂合金催化层的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种高效且环境友好的新能源发电装置，能将氢燃料的化学能直接转换为电能，可广泛应用于能源、汽车、航空航天等领域。在燃料电池催化层中，传统碳载铂催化剂在堆叠无序，其Pt的利用率低，且易迁移团聚，导致燃料电池成本高和寿命短。因此，开发高稳定、高活性、高铂利用率的燃料电池电极催化层具有重要意义。

针对上述问题，研究人员进行了大量的研究。中国专利CN107331877A上公布了“一种三维碳骨架镶嵌纳米铂基合金催化剂的制备方法”。该方法利用沸石咪唑酯骨架结构材料生长成核过程，将Pt纳米颗粒包裹在骨架结构中，构筑三维碳骨架镶嵌纳米铂合金的催化剂结构，大幅提高了催化剂的活性、稳定性以及Pt的利用率，铂质量比功率达98mgPt/kW。然而，制备燃料电池催化层的过程中，催化颗粒仍属混合堆积结构，难以进一步提升电池中的铂利用率。文献[J.Am.Chem.Soc..2014.136(41).14385-14388]报道了“一种金属-有机骨架纳米纤维及其衍生的多孔掺杂碳纳米纤维的纳米线定向模板的制备方法”，该方法以Te纳米线为模板合成ZIF-8纳米纤维，并将其转化为掺杂的碳纳米纤维。该纳米纤维在碱性介质中具有较好的催化氧还原性能。但纳米线的一维结构在催化层中会存在缠绕和混乱堆积结构，极大增加传质阻力，并降低催化剂的利用率。专利《201210376004.0》公开“一种新型有序化膜电极及其制备方法和应用”，该膜电极由复合电解质膜和有序化催化层组成。采用电沉积的方法在复合电解质膜的金属层表面电沉积导电聚合物，得到垂直于膜表面方向的有序阵列结构，该有序化膜电极的催化剂利用率高，传质性能好，阻燃料渗透性能好。然而，该方法对于膜材料要求高、损伤大，影响膜稳定性。

发明内容

针对目前Pt基催化剂活性差、稳定性低、利用率小的问题，本发明通过二维超晶体材料，有序地组装成特定尺寸和功能的燃料电池电极催化层。本发明巧妙的利用层状双氢氧化物表面裸露的金属阳离子与咪唑的强配位作用，将金属有机框架化合物携带纳米铂颗粒沿层状双氢氧化物二维表面生长成超晶体。通过热处理将二维超晶体碳化并同时去除层状双氢氧化物，形成三维框架结构的有序二维组装，进而形成燃料电池部分有序催化层。该催化层在超低Pt载量燃料电池中，表现出优异的电催化性能、优异的稳定性和抗溺水性能。

本发明的目的是这样实现的：一种部分有序二维超晶体铂合金催化层的制备方法，其具体方法步骤包括：

(1)表面活性剂修饰的Pt纳米颗粒分散液的制备

将氯铂酸溶解在浓度为10mol/L盐酸溶液中，然后加入甲醇和聚乙烯吡咯烷酮，形成铂质量浓度为10mg/mL的铂前驱体溶液；再用NaOH甲醇溶液调pH至9～10后，冷凝回流反应3小时；将40℃减压蒸馏去除溶液后再次分散到甲醇溶液中，获得铂质量浓度为0.8mg/mL的表面活性剂修饰的Pt纳米颗粒分散液。

(2)钴金属离子表面暴露的层状双氢氧化物制备