[发明专利]一种用于燃料电池的铂基有序合金催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开一种用于燃料电池的铂基有序合金催化剂及其制备方法，包括：首先对多孔碳载体进行脱气处理，将脱气后的多孔碳载体迅速加入强碱溶液中，使强碱溶液能够充分填充多孔碳载体的孔隙；通过减压过滤分离出碳载体，干燥后在惰性气氛下高温处理得到扩孔的多孔碳载体；然后以扩孔后的多孔碳作为铂基合金催化剂的载体，利用多孔碳的限域作用，在还原性气氛下高温处理得到多孔碳载超小铂基有序合金纳米颗粒。该方法通过对多孔碳进行扩孔处理，使其表面孔结构对铂基合金纳米颗粒产生强限域作用，有效抑制高温有序化过程中铂基合金纳米颗粒的团聚长大。

技术领域

本发明属于新能源燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池的铂基有序合金催化剂及其制备方法。

背景技术

随着能源及环境污染问题日益严重，清洁可持续能源的使用显得尤为重要。质子交换膜燃料电池可以将氢气与氧气的化学能直接转化为电能，具有能量密度高、清洁无污染、工作温度较温和等一系列的优点，成为了极具发展前景的新型能源转换装置。但在现阶段，由于其阴极缓慢的氧还原反应、工作环境下催化剂的快速失活的问题，燃料电池商业化受到了极大阻碍。此外，目前使用最广泛、性能最好的仍然是铂基催化剂，贵金属铂的成本问题不可避免。因此，在不降低甚至提升铂基催化剂性能的前提下，提高贵金属铂的利用率、降低成本是目前研究的重点。

将贵金属铂与价格较低的过渡金属或主族金属形成有序合金是一种提高催化剂活性及耐久性、降低贵金属铂使用量的有效策略。第二金属的加入能够有效调节催化剂表面铂原子的电子结构及原子间距，平衡催化剂对氧还原反应过程中不同中间体的吸附，从而加快氧还原反应速率；且有序合金中不同金属原子在晶胞中有序排列会导致原子间产生更强的键合作用，使得合金纳米颗粒具有显著增强的稳定性。但合金有序化一般采用高温热处理的方法，不可避免会造成纳米颗粒粒径的增大，故如何制备超小尺寸的有序合金纳米颗粒仍然是一个巨大的挑战。

中国专利202010053954.4公开了一种亚纳米铂基有序合金的制备方法。该方法主要通过非贵金属单原子，及表面的碳氮层产生限域作用，限制热处理过程中铂的迁移与长大，从而有效的控制合金颗粒的大小。但该方法中碳氮层产生限域作用的同时，不可避免会对有序合金纳米颗粒的表面活性位产生遮盖，导致传质过程受阻，电化学活性损失。

中国专利202110599610.8公开了一种负载型高分散、小尺寸铂基有序合金电催化剂的宏量制备方法。该方法使用介孔硅的纳米限域效应抑制纳米颗粒的烧结现象，制备超小尺寸的铂基有序合金。并通过控制介孔硅的去除步骤，使颗粒均匀的负载在碳载体上。但该方法使用氢氟酸溶液去除介孔硅，具有较大的危险性，且介孔硅等杂质难以去除干净。

故探究一种安全、有效的方法，在制备超小尺寸的有序合金纳米颗粒的同时，避免纳米颗粒活性表面损失及传质过程受阻在目前的研究中尤为重要。采用具有超细纳米级孔隙结构的多孔碳作为载体，以其表面孔结构产生空间限域作用是一种抑制颗粒尺寸长大的简单安全的方法，且多孔碳材料有较大的比表面积以及丰富的表面孔隙，能够促使合金纳米颗粒在其表面的均匀担载。但多孔碳表面孔隙的孔径较小，提供的限域作用较弱，在温度过高时难以有效地限制合金纳米颗粒的团聚与长大。

发明内容

本发明提出了一种用于燃料电池的铂基有序合金催化剂的制备方法，首先进行脱气处理，对脱气处理后的多孔碳进行均匀扩孔，使其具有孔径分布较窄且大小合适的孔隙结构，能够提供更强的空间限域作用，有效限制高温有序化过程中合金纳米颗粒的团聚与长大，并使纳米颗粒均匀负载在多孔碳表面，充分发挥出超小尺寸有序合金纳米颗粒的电催化性能。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于燃料电池的铂基有序合金催化剂的制备方法包括以下步骤：

1）首先对多孔碳载体进行脱气处理，将脱气后的多孔碳载体迅速加入强碱溶液中分散均匀，使强碱溶液充分填充多孔碳的孔隙；

2）通过减压过滤从步骤1）溶液中分离出多孔碳，干燥后在惰性气氛下高温处理，冷却至室温后洗涤并干燥研磨处理，得到扩孔的多孔碳载体；