[发明专利]氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池

说明书

本发明公开了一种氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池，氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的合金颗粒，所述合金颗粒包括金铜合金核和位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，所述金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，所述金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成所述金铂合金壳。本发明的氧还原催化剂具有低铂含量、高铂利用率且高效稳定的优点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池。

背景技术

随着我国氢燃料电池产业持续发展，催化剂作为燃料电池的核心之一，将面临更高的性能及成本要求。

在氢燃料电池中，位于电池阴极的氧气还原反应涉及复杂的电子/质子转移过程，具有较高的反应能垒且缓慢的动力学过程，需要高效稳定的氧气还原催化剂来驱动电化学反应高效率进行。

现有技术中最高效的氧还原催化剂是炭载铂纳米颗粒，但由于铂在自然界储量稀少，导致其成本高昂，不利于燃料电池的商业推广与应用，另外体相铂纳米颗粒只有位于最外层的铂原子参与反应，处于颗粒内部的铂并未被利用。因此，研究开发一种低铂含量、高铂利用率、高效稳定的电催化氧还原催化剂对于燃料电池技术发展和氢能利用都尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种低铂含量、高铂利用率且高效稳定的氧还原催化剂及其制备方法、燃料电池。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种氧还原催化剂，包括载体和负载在所述载体上的合金颗粒，所述合金颗粒包括金铜合金核和位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，所述金铜合金核的晶格结构为金原子密排层和铜原子密排层依次交叉层叠，所述金铜合金核外表面的铜原子被铂原子取代形成所述金铂合金壳。

本发明还公开了一种上述氧还原催化剂的制备方法，包括以下过程：

将铜盐、金盐、载体和还原剂加入溶剂中，所述还原剂将所述铜盐中的铜离子和所述金盐中的金离子分别还原成铜和金，得到负载在所述载体上的金铜合金核前躯体；

对所述负载在所述载体上的金铜合金核前躯体进行热处理，所述金铜合金核前躯体的晶格结构由不规则结构形成由金原子密排层和铂原子密排层依次交叉层叠的规则结构，得到负载在所述载体上的金铜合金核；

将所述负载在所述载体上的金铜合金核和铂盐分散于稀酸溶液中，所述铂盐中的铂离子和所述金铜合金核外表面上的铜原子发生置换反应，所述铜原子被铂原子取代，形成位于所述金铜合金核外表面的金铂合金壳，得到所述氧还原催化剂。

本发明还公开了一种燃料电池，包括上述的氧还原催化剂。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明实施例以金铜合金核为体相，将铂原子位于金铜合金核的外层壳层，降低铂的含量，以及充分提高铂的利用率。另，本发明实施例的合金颗粒能提供高效稳定的电催化性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1是本发明一具体实施例的合金颗粒的原子结构示意图，其中，白色原子为Pt，红色原子为Au，黄色原子为Cu。

图2是本发明一具体实施例的金铜合金核的原子结构示意图，其中，红色原子为Au，黄色原子为Cu。

图3是分别在200℃和300℃下进行热处理得到的合金颗粒的原子结构示意图。