[发明专利]一种高活性、高稳定性的铂基催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电化学技术领域，尤其公开了一种高活性、高稳定性的铂基催化剂及其制备方法与应用。该铂基催化剂包括铂、铂合金和非金属原子掺杂的碳，铂和铂合金形成异质结构并负载于碳上，碳部分包覆铂和铂合金。制备时将聚苯胺溶解于溶剂后，加入铂前驱体、过渡金属前驱体和络合粘结剂，混合，干燥，得固体混合物；将固体混合物在还原气氛下进行梯度烧结，得铂基催化剂。制得的铂基催化剂具有碳部分包覆结构，部分包覆的碳可有效地稳定表面铂基活性颗粒，避免长期析氢过程中相邻的铂基活性颗粒之间发生团聚，有利于催化剂的稳定性；相对于完全被碳包覆的铂基颗粒，具有更多的活性位点暴露，具有更高的催化活性。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种高活性、高稳定性的铂基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着化石能源的过渡开采和利用，环境污染日益严重，急需寻找可替代化石能源的清洁能源。氢能，作为零碳、零污染、高能量密度的二次新能源，被认为最理想的新能源之一。水电解制氢被认为可持续、绿色、环保的制氢方式之一。然而，水电解制氢依然面临着贵重金属铂催化剂高成本的困境。一方面，铂储量稀少导致自身价格昂贵；另一方面，尽管铂表现出非常优异的催化活性，但是长期水电解过程中铂溶解及相邻铂颗粒团聚，导致寿命缩短、活性降低，严重增加了制氢成本。

为了解决上述面临的实际应用高成本问题，前期研究工作表明，一方面完全采用价格低廉潜在的过渡金属催化剂，另一方面通过核-壳结构完全包裹铂颗粒避免直接与电解液接触发生溶解，典型的有碳包覆铂的核壳结构催化剂。然而，前者尽管催化剂成本大大降低了，但是催化活性仍然低于铂催化剂，导致较低的制氢效率。后者保护了铂催化剂，而却失去了铂催化位点，导致催化活性大幅度降低。

因此，亟需研发一种催化剂，在降低其原料成本的前提下，并不降低催化剂的活性和稳定性。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高活性、高稳定性的铂基催化剂及其制备方法与应用，该铂基催化剂为一种复合催化剂，包括铂、铂合金和氮、磷、硫等非金属原子掺杂的碳，通过碳部分包覆实现铂和铂合金与碳载体之间的强锚定作用，实现铂基催化剂优异的活性和稳定性。

为克服上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种铂基催化剂。

具体地，一种铂基催化剂，所述铂基催化剂包括铂、铂合金和非金属原子掺杂的碳，所述铂和所述铂合金形成异质结构并负载于所述碳上，所述碳部分包覆所述铂和所述铂合金。

本发明的铂基催化剂具有碳部分包覆结构，即碳部分包覆铂和铂合金，一方面部分包覆的碳可有效地稳定表面铂基活性颗粒，避免长期析氢过程中相邻的铂基活性颗粒之间发生团聚，有利于催化剂的稳定性；另一方面相对于完全被碳包覆的铂基颗粒，碳部分包覆结构具有更多的活性位点的暴露，具有更高的催化活性。同时，本发明的铂基催化剂为复合催化剂，包括铂、铂合金和非金属原子掺杂的碳，且铂和铂合金形成异质结构，研究表明异质结构可增加催化剂的本征活性，远高于其相应的单一组分，非金属原子(如氮、磷、硫等)掺杂的碳也更有利于催化剂的催化活性。因此，本发明的铂基催化剂可同时满足高活性和高稳定性。

作为上述方案的进一步改进，所述铂合金包括铂与铁、钴、钒、镍、锰中至少一种形成的合金，过渡金属铁、钴、钒、镍、锰可与铂形成铂合金，同时铂合金与铂形成异质结构，具有良好的催化活性。

作为上述方案的进一步改进，所述非金属原子包括氮、硫、磷中的至少一种。这些非金属原子将掺杂于碳材料中，有利于提高催化剂的活性。

作为上述方案的进一步改进，所述铂基催化剂，按质量百分比计包括：铂1-10％、铂合金1-10％和碳80-98％。

本发明的第二方面提供了一种铂基催化剂的制备方法。

具体地，一种铂基催化剂的制备方法，所述制备方法用于制备本发明所述的铂基催化剂，包括以下步骤：