[发明专利]一种三维多孔铂催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维多孔铂催化剂的制备方法，其包括：a将ZnCl₂或LiCl与NaCl或KCl混合加入去离子水中，配置成饱和溶液，加入有机碳源、有机氮源和过渡金属盐，干燥，得到前驱体；b将前驱体加热碳化，冷却，得到碳材料；c将碳材料加入无机酸中，搅拌，洗涤至中性，干燥，得到黑色粉末状三维多孔碳材料；d将多孔碳材料在去离子水中分散，之后加入含Pt前驱体混合分散，加入还原剂，反应后洗涤，真空干燥，得到黑色粉末状催化剂。本发明的方法，能够避免高聚物和有机溶剂的使用，反应条件温和，方法简单高效，对制备环境条件要求较低，能够应用于大规模生产，具有较高的实际应用价值。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种三维多孔铂催化剂，特别地，还涉及该三维多孔铂催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种绿色、高效的能源转换装置，被认为是解决能源危机和环境污染问题的重要途径。电催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率。由于阴极上发生的氧还原反应(ORR)动力学极化严重、过电位高，因此需要高效的催化剂来提高电流密度。虽然近年来对非贵金属基催化剂进行了大量研究，但其活性仍远低于铂基催化剂，依靠增加载量导致MEA催化层厚度增加会极大的影响传质速率，难以实现商业化应用。铂基及其合金催化剂依然是目前最有效和最稳定的ORR催化剂。

三维多孔结构具有丰富的孔隙结构和良好的导电性，能够为电化学反应提供较大的反应界面与传质通道，为贵金属提供更多锚定位点，提高贵金属的利用率，因此被广泛应用于电催化剂研究领域。构造三维多孔结构的常用方法有直接碳化法、模板法、溶剂蒸发法、活化法等。

CN111987322A公开了一种Pt-Co/NC催化剂及其制备方法和应用，采用共沉淀-高温焙烧方法制得了氮掺杂的多孔碳作为载体，将铂前驱体溶于甲醇溶剂，再采用硼氢化钠作为还原剂，水浴加热蒸发溶剂最后得到Pt-Co多孔碳纳米粉末催化剂，Pt-Co间的协同催化作用可以提高ORR催化剂的活性和耐久性，用酸刻蚀后多孔碳NC为金属粒子提供了很好的负载面和孔道，可以均匀分布铂金属。该技术采用溶剂蒸发法制备纳米微粒，需要使用大量的甲醇，对人体和环境有害。并且，还原剂采用硼氢化钠，其具有强烈的还原性，属于易爆危化品，不适用于大规模生产应用。

CN109860637A公开了一种燃料电池多孔贵金属催化剂的制备方法，将预先制得的胶束溶液和前驱物溶液搅拌混合，其中前驱物溶液为金属盐化合物溶解于有机溶剂，然后将混合物滴加或旋涂至玻璃瓶或硅片基底上，在25-50℃恒温恒湿箱内蒸发出其中的有机溶剂，在室温下干燥24-72h；将基底置于密封容器中，在二甲基胺硼烷氛围中还原1-3天，将还原得到的黑色固体粉末从基底刮下，使用去离子水润洗3-5次，离心分离，干燥，收集固体粉末；将收集所得的固体粉末煅烧1h-4h去除模板，煅烧后的固体粉末即为介孔贵金属催化剂。该技术中使用共聚物胶束溶液负载金属盐，需要使用四氢呋喃和大量多嵌段共聚物，其制备过程十分繁琐，耗时较长。同样地，共聚物和甲醇等有机溶剂的蒸发和收集过程会造成环境污染，并不绿色环保。并且，二甲基胺硼烷氛围的还原效率较低，用时较长。因此，该技术较难应用于工业化生产。

专利CN111082074A公开一种多孔铂燃料电池催化剂的制备方法，将铂盐与非铂金属盐溶于水中，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌，得到铂盐-非铂金属盐混合水溶液体系；在氮气的氛围下，向铂盐-非铂金属盐混合水溶液体系加入还原剂并搅拌；当溶液体系中的金属完全被还原后，加入载体；当金属负载后进行离心洗涤干燥，得到负载型铂合金催化剂；将负载型铂合金催化剂加入酸性溶液中，进行酸处理；离心洗涤干燥，得到多孔铂燃料电池催化剂。该技术中对铂盐的还原反应同样需要采用强还原剂硼氢化钠或硼氢化钾。此外，在催化剂合成过程中还加入了高分子聚合物PVP，Pt粒子会以碳载体和高聚物为晶核进行生长，被还原的Pt粒子并未完全担载于碳载体上，而高聚物的电子传导能力低于碳载体，会影响催化剂的催化活性。

因此，需要开发一种简单、绿色环保的三维多孔结构铂催化剂的制备方法。