[发明专利]一种铂基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铂基催化剂及其制备方法和应用。该铂基催化剂的制备方法包括如下步骤：将铂基催化剂前驱体煅烧即得；所述铂基催化剂前驱体包括尿素、碳源和铂盐；所述尿素与碳源的质量比为1：(0.5～2)。本发明在铂基催化剂的制备方法过程中，添加了尿素，其在高温分解下对纳米颗粒生长有保护作用，有效抑制了铂基催化剂颗粒的团聚，进而使得对于ORR反应的活性有显著的提升作用。同时该方法简单，条件可控，易扩大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种铂基催化剂及其制备方法和应用

背景技术

燃料电池根据膜电极内电解质的不同，可分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和碱性燃料电池等类型。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、无污染、低噪声的优点成为最有可能大规模应用的未来能源装置，预计将会广泛应用在新能源汽车、分布式电站和各种小型电子设备中，特别是在交通领域有重要的应用前景。

合理设计高活性、耐用的铂基双金属纳米电催化剂对质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的商业化至关重要。尽管通过使用铂基双金属纳米结构的不同催化剂设计，已经实现了特殊的电催化氧还原(ORR)活性，但是合成过程中无论是液相还原还是浸渍煅烧，颗粒的生长依旧难以控制，大颗粒暴露的较小的比表面积会提供有限的催化反应活性位点，不利于ORR反应的进行。

目前，液相法通过将金属前驱体均匀分散在有机溶剂中，利用液相还原剂的还原性还原金属，通过表面活性剂、封端剂等控制颗粒的成核和生长，得到较为均匀的颗粒，或特殊形貌的颗粒，但碍于生产过程中除去表面活性剂困难，后续处理工艺复杂。同时液相法得到的颗粒合金化并不理想，需要通过煅烧形成较好的合金相，因此现在依旧在不断探索合成高分散小粒径的炭载铂基合金催化剂颗粒的其他有效途径。

此外，ORR反应活性的提升，一方面要求使单个Pt原子的本征活性得到提高，另一方面需要对于Pt原子的利用率，如将Pt与过渡金属形成二元合金，它们能够在晶格收缩的合金中保留大量的初始基金属，从而施加持续的压缩表面晶格应变和提升铂基催化剂的ORR反应活性(Gan L,Heggen M,Rudi S,et al.Core–shell compositional finestructures of dealloyed Pt_xNi_1–xnanoparticles and their impact on oxygenreduction catalysis[J].Nano letters,2012,12(10):5423-5430)。而催化反应的发生仅发生在催化剂表面，在形成合金相的同时去减小铂基催化剂的尺寸能够有效提高Pt原子的利用率，提升整体的铂基催化剂对于ORR反应的催化活性，目前关于这方面的工作几乎是用液相法去制备。Zhiwei Yang等人(Gummalla M,Ball S C,Condit D A,et al.Effect ofparticle size and operating conditions on Pt₃Co PEMFC cathode catalystdurability[J].Catalysts,2015,5(2):926-948.)分别合成了4.9nm、8.1nm及14.8nm的Pt₃Co金属间化合物纳米颗粒，燃料电池的性能随颗粒尺寸减小，其中4.9nm的Pt₃Co具有最高的ORR活性。对于相同载量下，不同粒径的Pt₃Co纳米颗粒，颗粒间的距离随着尺寸的增加而增加，颗粒数量减小，导致可提供反应的本征活性位点减少，催化剂表面的氧浓度降低；另一方面，颗粒的尺寸增大，质子传输时的电极电阻越大，催化活性会随着颗粒尺寸的增加而降低。

目前，用于ORR反应的电催化剂—铂系催化剂的价格占据了PEMFC总价格的40％-50％，减少铂的负载量、使用廉价金属部分或完全取代金属铂会非常有利于燃料电池的商业化。

因此，亟待提供一种铂基催化剂，其尺寸可控且对ORR反应具有更高的活性。

发明内容