[发明专利]碳包覆铂镍合金纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电催化领域，公开了一种碳包覆铂镍合金纳米材料及其制备方法和应用。该方法包括如下步骤：(1)前驱体制备：将含有金属前驱体、碳源和溶剂的均相溶液中的溶剂除去，得到前驱体材料；(2)焙烧：在惰性气氛中，将步骤(1)得到的前驱体材料进行高温热解，得到热解产物；(3)退火：将步骤(2)得到的热解产物冷却至20‑60℃后，再在惰性气氛或还原性气氛、400‑1100℃下，或者在氧化性气氛、200‑400℃下进行退火处理；(4)酸洗：将步骤(3)得到的退火产物与酸溶液接触反应，然后依次进行固液分离、洗涤和干燥。本发明的碳包覆铂镍合金纳米材料具有良好的电催化性能。

技术领域

本发明涉及电催化领域，具体涉及碳包覆铂镍合金纳米材料及其制备方法、催化剂及其制备方法，以及该碳包覆铂镍合金纳米材料和催化剂在燃料电池中的应用。

背景技术

近年来，能源危机和环境污染逐渐成为制约人类社会发展的主要障碍之一，因此发展可再生清洁能源技术势在必行。燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的装置，因其具有能量转化效率高、启动快、污染小等优点，被认为是理想的清洁能源技术。燃料电池主要包含的反应为：阳极的氧化反应(例如：氢气氧化HOR，H₂→2H⁺+2e^-，甲醇氧化MOR等)和阴极的氧还原反应(ORR，O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O)。由于阴极氧还原反应涉及到多电子的得失，其动力学反应速率比阳极氧化反应缓慢得多。因此，阴极氧还原反应的速率是影响燃料电池性能的关键因素。目前，高效的阴极催化剂主要依赖于贵金属铂，但是铂的价格昂贵，使得催化剂成本约占燃料电池总成本的40％左右；并且，在长循环过程中，铂的团聚和溶解造成铂的电化学活性面积随时间下降明显，影响燃料电池的寿命。

目前，阴极催化剂的研究方向之一是采用碳包覆铂镍合金纳米材料，一方面铂镍合金催化剂可以提高本征活性和铂的利用率，降低贵金属铂的用量；另一方面，碳笼包覆层可以抑制在长循环过程中金属的团聚和溶解，从而提高稳定性。Zou Shouzhong等(ACSAppl.Energy Mater.2019,2,2769-2778)报道了采用2-甲基咪唑作为有机配体和碳源，首先采用溶剂热法形成类MOF结构的2-甲基咪唑-Pt-Ni复合材料，然后进行热退火处理，制备了碳包覆铂镍纳米材料，该方法步骤复杂，而且所用的有机配体成本高，难以进行大规模生产。CN 112467155A报道了首先采用液相还原法合成出油胺包覆的铂纳米粒子，然后铂纳米粒子与科琴黑混合，经过高温预交联、碳化、活化，制备出碳包覆铂催化剂的方法，该制备方法过程仍然较为繁琐。因此，需要研发一种工艺简单、成本低廉、便于工业化生产的方法制备碳包覆铂镍合金催化剂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种碳包覆铂镍合金纳米材料及其制备方法、催化剂及其制备方法，以及该碳包覆铂镍合金纳米材料和催化剂在燃料电池中的应用，该制备方法工艺简单、成本低廉，原料选择范围广，得到的纳米材料具有良好的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种碳包覆铂镍合金纳米材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)前驱体制备：将含有金属前驱体、碳源和溶剂的均相溶液中的溶剂除去，得到前驱体材料，其中，所述金属前驱体包括铂源和镍源，所述碳源为酸性有机还原剂；

(2)焙烧：在惰性气氛中，将步骤(1)得到的前驱体材料进行高温热解，得到热解产物，其中，所述高温热解的温度为400-1000℃；

(3)退火：将步骤(2)得到的热解产物冷却至20-60℃后，再在惰性气氛或还原性气氛、400-1100℃下，或者在氧化性气氛、200-400℃下进行退火处理；

(4)酸洗：将步骤(3)得到的退火产物与酸溶液接触反应，然后依次进行固液分离、洗涤和干燥。