[发明专利]一种碳材料负载铂催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于燃料电池材料制造及电催化技术领域，公开了一种碳材料负载铂催化剂及其制备方法和应用。该方法以在多元醇溶剂中用含硼化合物还原制备碳载铂型燃料电池催化剂。在通入惰性气体保护反应悬浮液，防止氧原子进入铂纳米颗粒。以含硼化合物为还原剂，在多元醇溶剂中反应制备Pt/C催化剂，克服了使用强还原剂带来的温度升高，溶液易暴沸的问题。对获得的产物进行过滤、洗涤、烘干，得到分散性好的，Pt颗粒粒径均匀的高活性铂碳型催化剂，质量比活性达到了0.2A/mgPt。该催化剂稳定性好，性能优于商业铂碳催化剂，克服使用强还原剂含硼化合物制备Pt/C型催化剂缺点，70％的Pt/C催化剂5000圈稳定性测试后，电化学活性面积下降率小于2％，质量比活性下降率小于8％。

技术领域

本发明属于燃料电池材料制造及电催化技术领域，具体涉及一种碳材料负载铂催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种绿色能源技术，在催化剂的作用下将氧气和氢气的反应的化学能直接转换为电能，转换效率高。不同于其他电池储能技术，只要原料充足，燃料电池是可以持续不断提供能源。与其他类型的燃料电池相比，质子交换膜氢燃料电池因其工作温度低，能快速启动产生电能，固体电解质易于管理的特性，成为当下新能源汽车远距离行驶技术的首选。但其催化剂中所用的贵金属Pt成本高，长时间运行催化剂寿命低，严重阻碍了质子交换膜氢燃料电池的商业化进程。

因此，提高Pt的催化活性，减少燃料电池铂的用量，加强Pt与载体之间的相互作用以稳定催化剂结构是推广燃料电池必须解决的关键科学问题。液相还原法，胶体法等化学还原法是制备Pt/C型燃料电池催化剂常用方法，有文献报道，在制备Pt/C催化剂的过程中，同时加入乙二醇溶液和硼氢化钠可生成一种Na+B-(OCH₂CH₂OH)₄的复合物，这种复合物还原能力强于乙二醇，但由于多元醇沸点高粘度大的特点，可以一定程度上抑制，有利于形成稳定固载于碳载体表面的均一的Pt颗粒。

相关技术公开了一种燃料电池用纳米钯或钯铂电池催化剂的制备方法，其制备过程是向钯盐或铂盐的水溶液加入适量络合剂恒温反应一段时间，停止冷却后条件pH值并加入碳载体和还原剂硼氢化钠、胼或甲酸在恒温反应几小时，将制备的催化剂水系干燥后再进行热处理。该方法制备的催化剂主要用于甲醇燃料电池，由于增加了热处理步骤，得到的催化剂的金属粒径较大。

相关技术公开了一种燃料电池用碳载铂电催化剂的制备方法，包括将碳载体分散在有机溶剂中，在加入氯铂酸，调节pH值，在保护性气氛中50-95℃反应，再沉降催化剂清洗烘干。该制备工艺简单易操作，制备的催化剂金属颗粒较小，为2nm，缺点是使用的还原剂甲醛，溶剂甲醇、丙酮等毒性较大，不利于工业化放大生产。

相关技术公开了一种碳载铂催化剂的制备方法，所述制备方法是将碳载体和铂的氢氧化物的前驱体在有机溶剂的水溶液中混合均匀，调节pH值后，加入过量的还原剂反应制得。该方法的优点是铂的前驱体不含卤族元素，得到的催化剂更洁净，缺点是使用的还原剂为毒性较大的甲醛，且缺乏催化剂活性测试的数据。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种碳材料负载铂催化剂及其制备方法和应用。

本发明所采用的技术方案为：一种碳材料负载铂催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)选取碳材料与铂前驱体，超声分散于醇溶液中形成悬浮液，加入络合剂、调节剂，混匀；

(2)加热上述步骤(1)获得的悬浮液，在惰性气体环境中加入还原剂进行还原；

(3)将上述步骤(2)还原完成后获得的产品，经过滤、洗涤、烘干后，获得碳材料负载铂催化剂。

作为优选地，所述碳材料包括导电炭黑EC-300和导电炭黑EC-600中的一种或多种；

所述铂前驱体包括氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、氯铂酸铵、乙酰乙酮铂和乙酰丙酮铂中的任意一种；