[发明专利]一种用于碱性氢氧化的碳担载非铂的钯钌钨合金纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种用于碱性氢氧化反应的碳担载非铂的钯钌钨纳米颗粒催化剂及其制备方法与应用，属于电催化剂技术领域。本发明通过在不需要任何表面活性剂且简单易操作的水浴反应，制备得到均匀分散且粒径均一的非铂的钯钌钨电催化剂，通过大量去离子水清洗催化剂，最终得到非铂低贵金属载量(10～20wt％)的电催化剂，所制备的担载型催化剂为非铂钯钌钨纳米颗粒晶体均匀分散在碳载体表面。本发明通过在混合体系中加入不同的金属前驱体盐来调节催化剂的性能以及钌的高电位的抗氧化性。本发明所得到的纳米晶体颗粒非常小，尺寸均一性和分散性优异，并具有较高的电化学活性比表面积和本征活性，适用于碱性燃料电池阳极侧氢氧化反应。

技术领域

本发明属于非铂贵金属与非贵金属合金电催化剂技术领域，涉及一种碳担载非铂的钯钌钨合金纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。

背景技术

氢氧燃料电池由于其环境友好、可持续等优点，其发展备受全球各国的关注。对于碱性氢氧燃料电池其传导的离子是OH^-。其内部的总反应为(H₂+1/2O₂→H₂O)，在其阴极侧发生氧还原反应(1/2O₂+H₂O+2e^-→2OH^-)，阳极侧为氢气的氧化反应(H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-)，最终将氢气和氧气燃料中的化学能转化为清洁的电能。近些年来，随着碱性膜性能与稳定性的不断提升，碱性燃料电池中阴极侧氧还原反应过程中所采用的催化剂有望完全用非贵金属催化剂来代替昂贵且稀缺的铂催化剂，碱性燃料电池克服了酸性燃料电池易腐蚀的问题等，因此碱性燃料电池的发展有望超越酸性燃料电池，成为新一代高效、低成本的能量转换装置。但是，碱性燃料电池在阳极氢氧化一侧也存在一定的问题：商业铂碳催化剂在碱性条件下的反应速率比酸性条件下慢2～3个数量级，催化剂多集中在铂基贵金属催化剂成本较高，制约着碱性燃料电池快速走向商业化。因此，开发高性能、低成本的碱性燃料电池阳极氢氧化电催化剂，尤其将金属纳米颗粒均匀地分散在碳载体上且通过利用廉价的钨金属来调变非铂贵金属的电子结构以提高催化剂的电化学性能、进一步降低催化剂的成本，使碱性燃料电池快速走向商业化已经成为此领域的研究热点。

2017年,王等将金属盐前驱体先溶解在水中，之后向溶液中添加碳载体、超声、浸渍、烘干，最后经过高温退火得到不同比例的IrPdRu/C催化剂，其利用价格比钌昂贵的Ir和Pd且含量较高(20％～90％)增加了催化剂的成本(Journal of the American ChemicalSociety,2017,139:6807-6810)。2018年，余等以正己烷(20mL)和正己醇(10mL)为混合溶剂，以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，以硼氢化钠为还原剂。将H₂IrCl₆和RuCl₃在40℃下反应得到纳米线结构的IrRu合金，但是此类催化剂在制备的过程中使用表面活性剂，残留的表面活性剂可能会覆盖一定的活性位点；虽然在微极化区性能比Ru/C催化剂提高，但是在高电位区间，催化剂瞬间失活，失去催化活性(Journal of Materials ChemistryA,2018,6:20374-20382)。

李海波等将铂、钯、铜盐前驱体在含有表面活性剂的情况下经过水热法合成了PtPdCu三元合金催化剂，将其用在了电催化乙醇氧化方面，该制备方法不仅使用了表面活性剂而且还是在比较危险的高温高压的水热条件下进行的，不利于大规模生产(李海波；彭乐超，聊城大学，申请号：201910059027.0)。

综上所述，未见有报道非铂钯钌钨(钯的含量极少)催化剂做为碱性氢氧化催化剂，在已报道的碱性氢氧化电催化剂的相关的文章或已报道的专利；合成的催化剂中大多数是铂基金属催化剂成本高或钌基电催化剂在高电位下迅速氧化失去电化学活性或是催化剂的合成条件苛刻步骤繁琐不易大规模生产。因此，研究适用于碱性燃料电池阳极的氢氧化反应具有重要的应用价值。

发明内容