[发明专利]一种多元合金催化剂及其制备方法及应用

说明书

本发明提供一种多元合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，制备碳材料混合浆料：将碳材料分散在溶剂中，加入铂源原料液及其他金属原料液，形成均匀的悬浮液，再加入添加剂，形成碳材料混合浆料；步骤S2，合金化过程：将步骤S1中的碳材料混合浆料在80～180℃下反应1～120min，再压滤、洗涤及干燥，然后在保护气氛中进行焙烧，得到固体粉末；步骤S3，表面富铂化处理：将步骤S2得到的固体粉末加入至处理液中进行处理，再进行过滤、洗涤、干燥，得到铂多元合金催化剂。本发明实施例制备得到的铂合金颗粒尺寸小且均匀，合金化程度高，具有优异的催化活性和催化稳定性。

技术领域

本发明属于多元铂基合金碳催化剂领域，具体涉及一种多元合金催化剂及其制备方法及应用。

背景技术

多元合金催化剂是铂基催化剂的一种，主要用于质子交换膜燃料电池膜电极的催化层中。催化层分为阴极催化层和阳极催化层，工作原理是氢气在阳极催化层分解为H+，并释放电子，电子通过负载被引出到阴极，而H+则通过质子交换膜到达阴极，由此产生电能。

铂金属由于资源匮乏导致价格昂贵，进而使得催化剂价格及燃料电池的成本居高不下，阻碍了燃料电池商业化进程，为降低燃料电池成本，并提高催化剂的催化性能，铂被用于与其他金属元素制备成多元合金催化剂，从而降低铂载。然而由于不同元素的原子大小和能带结构各不相同，所以形成的铂合金产生的燃料电池氧还原效果也不一样。铂与3d过渡金属元素如Fe，Co，Ni，Cu将Pt-Pt键在合金化过程中能改变为Pt-M合金键(M为合金元素)，改变铂的d轨道电子排布，有利于形成铂-氧键，从而有助于提高ORR活性，而Au，Ir，Mo等元素的添加则能够提高催化剂的稳定性和耐腐蚀性，因此添加多种元素能够在既保证活性的同时，兼顾稳定性。

然而在现有技术中，铂碳催化剂的合金化程度不够、颗粒较大，因而作为燃料电池膜电极的阴极催化剂，有时不能完全满足使用性能要求。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种多元合金催化剂及其制备方法及应用，该制备方法制备得到的铂合金多元催化剂合金化程度高，粒径小，且不易发生团聚，使用性能良好。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种多元合金催化剂的制备方法，所述多元合金催化剂包括金属铂及不同于铂的其他金属，所述其他金属包括第一金属及第二金属，具体包括以下步骤：

步骤S1，制备碳材料混合浆料：将碳材料分散在溶剂中，加入铂源原料液及其他金属原料液，并剪切分散0.5～24h，形成均匀的悬浮液；向悬浮液中加入添加剂，超声0.5～24h，然后在20～80℃下搅拌0.5～24h，形成碳材料混合浆料；

步骤S2，合金化过程：将步骤S1中的碳材料混合浆料在80～180℃下反应1～120min并进行压滤洗涤，其后在20～120℃下干燥0.5～24h，随后在保护气氛中焙烧，得到固体粉末；

步骤S3，表面富铂化处理：将步骤S2得到的固体粉末加入至0.1～100L的处理液中进行处理，在20～80℃下搅拌0.5～24h，再超声处理0.5～24h，过滤、洗涤至滤液pH值为2～7，在20～80℃下干燥1～24h，得到含铂多元合金催化剂。

具体地，步骤S1中，所述碳材料为在1600～2500℃下石墨化处理1～12h的碳粉；

所述碳粉选用XC-72R炭黑、科琴黑、乙炔黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管中的一种或几种；

所述碳材料的氮气吸附比表面积为240～1200m²/g，碳材料的微观尺寸为5～99nm。

具体地，步骤S1中，所述溶剂选用水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇中的一种或几种；

所述溶剂质量是碳材料质量的10～100倍；

具体地，步骤S1中，所述第一金属和/或所述第二金属选用钯、铱、钌、银、金、镍、钴、铜、铁、钼、铈及钇中的一种；

所述第二金属不同于第一金属；