[发明专利]有序低铂合金催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种有序低铂合金催化剂的制备方法，是将碳载体用硝酸进行油浴处理，过滤干燥后加到去离子水中，超声分散得到碳载体水离子溶液；将铂源、过渡金属盐溶解于去离子水中，超声分散得到混合液Ⅰ后滴加到碳载体水离子溶液中，控制滴加速度，搅拌得到混合液Ⅱ后用红外辐射加热蒸干混合液Ⅱ中的溶剂，干燥、研磨得到中间体固体材料；将中间体材料置于微波加热炉中，在还原/惰性气氛下采用不同的温度区间分段煅烧，即得到核体材料含有有序双相结构的低铂合金、壳层为表面结构稳定的薄层铂的有序低铂合金催化剂颗粒。上述方法制备的催化剂，颗粒分散均匀、粒径理想，催化活性高，循环稳定性好。本发明还提供了上述催化剂在燃料电池中的应用。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种用于燃料电池的铂合金催化剂的制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着化石燃料的大量使用，以及环境污染和气候变化的日益严峻，开发绿色、高效的可再生能源和新型能源的储存转换装置迫在眉睫。燃料电池不经过卡诺循环的限制，能高效地将化学能转化为电能，被认为是利用氢能的最佳能源转换设备。其中，质子交换膜燃料电池能量密度高、低温快速启动、结构简单、安全性佳和噪音低等优点使其成为替代内燃机作为汽车动力电源的最佳装置。

然而，质子交换膜燃料电池的商业化应用受限于阴极缓慢的氧还原动力学，稀缺贵金属Pt依然是最常用且高效的电催化材料。目前最有效提高氧还原催化活性且能降低成本的策略是通过过渡金属与贵金属Pt合金化调控，来优化催化剂和含氧物种之间的键合能，进而增强氧还原催化活性。贵金属Pt含量较低的合金催化剂不仅能够继承Pt金属的性能，而且与单金属Pt相比通常表现出更优越的性能。理论研究表明，影响ORR活性的主要因素包括合金成分、催化剂颗粒的尺寸、形貌等。因此通过可控调节催化剂颗粒组成、尺寸和形貌，能降低Pt负载并优化催化性能。传统的制备方法是浸渍还原法,即把载体充分浸泡在含有不同金属盐的溶液中,使吸附在载体上的金属离子在还原气氛下加热还原，还可以采用湿化学还原方法制备负载型纳米合金催化剂,但这些方法难以获得分散均匀和理想粒径的催化剂，且工艺复杂，成本高，难以批量化生产。

因此，有必要解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种有序铂基合金催化剂的制备方法，可使得到的有序低铂合金催化剂颗粒的核体材料含有有序多相结构的低铂合金、壳层为表面结构稳定的薄层铂，其颗粒均匀，催化活性高，循环稳定性好。

本发明提供的有序低铂合金催化剂的制备方法，包括下述步骤：

S1将碳载体用硝酸进行油浴处理，用以去除碳载体中的无机杂质，增加表面官能团，油浴处理后抽滤洗涤干燥；

S2将铂源、过渡金属盐溶解于去离子水中，超声分散得到混合液Ⅰ，其中所述铂源和所述过渡金属盐之间的摩尔比为3:1～1:3；

将油浴处理后的碳载体加入到去离子水中，超声分散得到碳载体分散液；

将所述混合液Ⅰ逐滴加入到所述碳载体分散液中，控制滴加速度，搅拌得到混合液Ⅱ；

S3将所述混合液Ⅱ在搅拌条件下进行红外辐射加热，使所述混合液Ⅱ中的溶剂蒸干，得到中间体泥浆；

S4将所述中间体泥浆真空干燥、研磨后得到中间体固体材料；

S5将所述中间体固体材料置于微波加热炉中，在5％～10％的氢气还原/惰性气氛下，控制温度为120℃～150℃，先煅烧20～60分钟，然后升温至350℃～450℃，在惰性气氛下再煅烧1～3h，即得到有序低铂合金催化剂颗粒，所述有序低铂合金催化剂颗粒的核体材料含有有序多相结构的低铂合金、壳层为表面结构稳定的薄层铂。