[发明专利]一种合金催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种合金催化剂及其制备方法和用途。所述制备方法包括以下步骤：(1)将氯铂酸铵、钴盐、锌盐、2‑氨基对苯二甲酸和溶剂进行溶剂热反应，得到同时含有铂、钴和锌元素的金属有机骨架材料；(2)将步骤(1)所述金属有机骨架在还原性气氛下，依次进行一次升温和二次升温，得到所述合金催化剂。本发明通过将氯铂酸铵、钴和锌的前驱体溶液与2‑氨基对苯二甲酸溶液混合反应，生成了金属有机骨架材料，随后进行分段烧结，得到了铂钴合金位于多孔碳载体上的合金催化剂，解决了催化剂电化学极化、浓差极化过大的问题，提升了催化剂的氧气还原活性。

技术领域

本发明属于电化学材料技术领域，涉及一种合金催化剂及其制备方法和用途，尤其涉及一种燃料电池用合金催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)是一种高效的能源转换装置，可被应用于交通动力系统、分布式发电、可移动装置等众多领域，其产物仅为水，在缓解世界环境污染和石化能源短缺问题上具有重要作用。其发电原理为：阳极的氢气在催化剂作用下分解为质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，与阴极的氧气在催化剂的作用下反应生成水，完成发电过程。其中阴极发生的氧气还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)的本征动力学反应速率极慢，在实际反应过程中的极化电位过大，造成电池的实际工作电压降低。因此，需要高效的电催化剂来提高ORR的反应速率。

目前市场上应用较广泛的燃料电池催化剂为Pt/C型催化剂，面临着两个问题：(1)低电流密度下Pt/C的催化效率较低，导致电化学极化电压较大，造成电池的电压损失大，目前半电池上的质量比活性一般低于0.2A/mgPt；(2)在大电流密度下，气体在Pt/C催化剂中的传质性能差，造成较大的浓差极化，导致大电流密度下电池的电压较低。

CN102810677A公开了一种燃料电池催化剂及其制备方法，其中记载了将VulcanXC-72R炭黑为载体的载Pt催化剂(催化剂1)和Ketjen炭黑为载Pt催化剂(催化剂2)混合使用，增加了常规Pt/C(VulcanXC-72R炭黑)催化剂的比表面积，提高了催化剂活性。但所添加的Pt/C(Ketjen炭黑)催化剂所使用的Ketjen炭黑载体比表面积大，粒径小，分散困难，催化层中有效反应区域所占的比例更低，贵金属的利用率也更低，同时催化剂也更易迁移和团聚，随着电化学反应的进行，催化剂的催化效果逐渐减弱，电池效率逐渐降低。

CN100398211A公开了一种燃料电池用核壳催化剂及其制备方法，该方法是将非贵金属盐配制成溶液，加入一定量的表面活性剂，然后向混合溶液中加入过量的还原剂，制成非贵金属的纳米金属溶液，再向非贵金属的纳米金属溶液中加入贵金属盐溶液进行化学置换，得到贵金属包裹在非贵金属纳米颗粒表面的核壳结构催化剂溶液，得到非担载型核壳催化剂。最后在非担载型核壳催化剂溶液中加入碳载体进行吸附，得到担载型核壳催化剂。该方法的优点是操作过程简单，制备成本低，但催化剂粒径偏大，而且催化剂仅靠吸附作用与碳载体连接，很容易在电化学反应过程中脱落，从而降低催化效率。

因此，如何解决燃料电池中的催化剂电化学极化、浓差极化过大导致其催化效率过低的问题，是目前急需的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合金催化剂及其制备方法和用途。本发明通过将氯铂酸铵、钴和锌的前驱体溶液与2-氨基对苯二甲酸溶液混合反应，生成了金属有机骨架材料，随后进行分段烧结，得到了铂钴合金位于多孔碳载体上的合金催化剂，解决了催化剂电化学极化、浓差极化过大的问题，提升了催化剂的氧气还原活性。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种合金催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将氯铂酸铵、钴盐、锌盐、2-氨基对苯二甲酸和溶剂进行溶剂热反应，得到同时含有铂、钴和锌元素的金属有机骨架材料；