[发明专利]一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂及其制备方法和应用，所述的催化剂制备方法以乙二醇作为溶剂和还原剂，制备的碳黑负载铂纳米粒子为种子，并通过浸渍和热处理的方法，得到碳黑负载有序铂钴金属间化合物结构的氧还原催化剂。制备得到的催化剂为黑色固体粉末，有序铂钴金属间化合物催化剂的纳米粒子粒径为5~30 nm。本发明涉及的制备方法易行可控，可操作性强，可推广至其他金属间化合物制备领域。本发明涉及的催化剂在酸性条件下氧还原催化活性和稳定性等性能均优于商业催化剂，可广泛应用于质子交换膜燃料电池、金属‑空气燃料电池等领域。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

能源的危机，环境的恶化，清洁能源迫在眉睫，燃料电池具有污染小、环保、功率密度高等诸多优点，然而阴极的氧气还原反应过程存在的反应动力学缓慢的问题，而直接影响了整个燃料电池能源装置的反应效率，成为了制约燃料电池大规模商业化发展的关键因素。目前，铂碳催化剂仍是提高氧还原反应效率的最常用的催化剂。然而，在催化过程中铂碳催化剂的活性往往会随着时间的推移而降低，并且活性有待进一步提升，从而制约了大规模的应用。因此，开发同时具有高效率、高稳定性的催化剂用于氧气还原反应是一个迫切需要解决的问题。面心四方结构的有序铂钴金属间化合物，原子之间通过d轨道强相互作用形式键连在一起，并在特定晶格方向进行长程有序排列，使其在热力学上具有较高的稳定性，从而在氧还原催化反应中表现出比相应的无序固溶体合金材料更好稳定性。然而，合成过程中由于需要精确的原子比以及一定能量打破无序到有序转变得能垒，而使得合成及其困难。因此，研究开发一种高稳定性、高活性的铂钴金属间化合物氧还原催化剂的简单有效可控合成方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决氧气还原反应中铂碳催化剂耐久性差等问题，同时保证催化剂高活性，解决有序铂钴金属间化合物合成困难的问题，提供一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂及其制备方法和应用，采用种子介导法的方式，利于金属比例的控制，采用浸渍与热处理的方式，操作简单可控，利用铂纳米种子浸渍钴源、磷源后将干燥后的样品在惰性气体气氛下，率先生成第二相，继而实现有序金属间化合物的转变，得到有序金属间化合物结构的铂钴催化剂，该金属间化合物结构催化剂促进了催化活性与稳定性的提高。该方法简单易行可控，可操作性强，可以促进有序结构转变，以及催化剂活性与稳定性的提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂，为黑色固体粉末，所述的有序铂钴金属间化合物催化剂的纳米粒子粒径为5 ~ 30nm。

在本发明的一个优选实施方式中，铂与钴的质量比为2:1 ~ 10:1；所述的有序铂钴金属间化合物催化剂的纳米粒子粒径为5 ~ 10 nm。

本发明还保护一种有序铂钴金属间化合物氧化原催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用铂碳作为纳米种子实现种子介导法；

（2）采用钴源进行浸渍处理；

（3）采用磷源进行浸渍处理；

（4）将浸渍得到的产物进行干燥，再退火处理，实现有序金属间化合物的转变。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤（1）中，所述的铂碳为商业JohnsonMatthey-PtC、TANAKA-Pt/C、上海河森Pt/C或自制铂碳；更优选的，以乙二醇作为溶剂和还原剂，制备的碳黑负载铂纳米粒子为纳米种子。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤（1）中，所述的铂碳中，铂的质量分数为10%~ 80%。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤（2）中，所述的钴源为氯化钴水溶液，所述的氯化钴水溶液的浓度为0.05 ~ 10 mol/L，铂与钴的质量比为2:1 ~ 10:1。