负载型铂钯金三元合金纳米催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种负载型铂钯金三元合金纳米催化剂及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域。

背景技术：

由于燃烧矿物燃料，全球气候变暖日益加速，世界很多城市的空气质量在下降，而氢能源干净无污染，使各国的能源政策转向氢能源。燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。燃料电池的电催化剂扮演着电化学反应“工厂”的作用，是电池核心关键材料。燃料电池要成为真正的商品，必须解决性能、成本、稳定性、耐久性、环境适应性等诸多问题，其中最为关键的是性能和成本问题。但是作为电催化剂的铂的储量有限，价格昂贵，制约了燃料电池的商业化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法简单且完全无废气废液排放，性能优异的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法；进一步地，本发明提供一种负载型铂钯金三元合金纳米催化剂，该催化剂可大幅度降低Pt用量，降低成本的同时提高催化活性和抗中毒效果；更进一步地，本发明提供一种负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S01，量取适量的PdCl₂的HCl溶液于烧杯中，在搅拌条件下缓慢加入一定量氨水，直至体系呈无色，继续搅拌至少30min，待用；

S02，称取一定量预处理过的碳载体于另一烧杯中，加入适量的H₂PtCl₆和H₂AuCl₆的水溶液，在低温超声机中分散均匀；

S03，将S01中的溶液加入S02的烧杯中，室温下分散均匀得碳泥；

S04，将S03的碳泥在一定温度下搅拌蒸发至碳泥中无明显液体；

S05，将S04的碳泥进行冷冻干燥过夜；

S06，将冻干后的碳泥取出后置于球磨罐中，加入适量球磨珠，进行球磨得到待还原样品；

S07，将待还原样品在管式炉中还原后得到最终的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂。

所述碳载体的预处理方法包括以下步骤：

a，称取一定量的比表面积至少为20g/m²的碳载体于烧杯中，按碳载体与脲的质量比为1:(0.5～3)的配比加入脲，再加入超纯水至没过碳载体，超声分散10～60min；

b，50～80℃下加热搅拌蒸发至无明显可见水；

c，将步骤b得到的碳载体于真空干燥箱中80℃干燥过夜；

d，将干燥后的碳载体在管式炉中300～800℃氮气气氛下煅烧2～5h。

S04中蒸发温度为40～80℃。

所述球磨罐为氧化锆球磨罐，球磨珠为氧化锆球磨珠，氧化锆球磨珠的直径为3～8mm，球磨时选择单一直径的或多直径混合搭配的氧化锆球磨珠，球磨时间为1～4h，球磨转速为100～500rpm/min。

S07中的还原气氛为H₂/Ar气氛，还原温度为120～300℃，还原时间为60～180min。

S01和S04中的搅拌均为磁力搅拌。

所述低温超声机的温度范围为0～10℃。

本发明的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法，该方法操作简单，无任何表面活性剂，无污染，对环境友好，且该方法制备的催化剂性能稳定，重复性好，可大批量生产。

本发明的制备方法得到的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂。该催化剂将Pt沉积在Pd(111)晶面上，不但可大幅度降低Pt用量，同时还能提高ORR活性。同时，在催化剂体系中引入过渡金属Au，大大提高了催化剂的抗中毒效果。本发明采用预处理过的碳载体利于金属离子与载体的结合，经球磨工艺会使催化剂前驱体(即PdCl₂、H₂PtCl₆和H₂AuCl₆及其水合物)在载体上的分布更均匀，进而影响催化剂的活性。

本发明的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂在燃料电池催化剂中的应用。本发明制备的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂用作燃料电池催化剂时，提高铂的利用率，降低铂的载量，从而有效提高催化剂的性能。

附图说明

图1为本发明载体碳的制备工艺流程图；

图2为本发明负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

如图1～图2所示，负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S01，量取1.3mLPdCl₂的HCl溶液于烧杯中，其中HCl溶液为0.5mol/L，配制后的PdCl₂溶液为5wt％；然后在磁力搅拌下缓慢加入一定量氨水，直至体系呈无色，继续搅拌30min，待用；

S02，称取0.5g预处理过的碳载体于另一个烧杯中，加入2mL H₂PtCl₆和0.9mLH₂AuCl₆的水溶液，配制后的水溶液含2wt％H₂PtCl₆和5wt％H₂AuCl₆，在低温超声机中于2℃超声分散40min；

S03，将S01中的溶液加入S02，室温下分散30min；

S04，将S03的混合溶液于磁力搅拌器上在40℃温度下磁力搅拌蒸发至碳泥中无明显液体；

S05，将S04制备的碳泥进行冷冻干燥过夜；

S06，将S05冻干后的碳泥取出后于0.1L球磨罐中，加入50颗3mm直径的氧化锆球磨珠，300rpm/min转速，球磨2h，得到待还原样品；

S07，将S06中的待还原样品在管式炉中，以H₂/Ar为还原气氛，120～150℃还原，还原时间为120min，得到最终的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂。

碳载体的预处理方法包括以下步骤：

a，称取一定量的20g/m²比表面的碳载体于烧杯中，按碳载体与脲的质量比为1:0.5的配比加入脲，再加入超纯水至没过碳载体，超声分散10min；

b，50℃下加热搅拌蒸发至无明显可见水；

c，将步骤b得到的碳载体于真空干燥箱中80℃干燥过夜；

d，将干燥后的碳载体在管式炉中300℃氮气气氛下煅烧2h得载体碳。

本实施例还保护上述方法制备的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂以及该催化剂在燃料电池催化剂中的应用。

实施例2：

如图1～图2所示，负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S01，量取2mLPdCl₂的HCl溶液于烧杯中，其中HCl溶液为0.1mol/L，配制后的PdCl₂溶液为3wt％；然后在磁力搅拌下缓慢加入一定量氨水，直至体系呈无色，继续搅拌30min，待用；

S02，称取0.5g预处理过的50g/m²比表面碳载体于另一个烧杯中，加入1.5mL H₂PtCl₆和0.8mLH₂AuCl₆的水溶液，配制后的水溶液含1wt％H₂PtCl₆和2wt％H₂AuCl₆，在低温超声机中于10℃超声分散40min；

S03，将S01中的溶液加入S02，室温下分散40min；

S04，将S03的混合溶液于磁力搅拌器上在80℃温度下磁力搅拌蒸发至碳泥中无明显液体；

S05，将S04制备的碳泥进行冷冻干燥过夜；

S06，将S05冻干后的碳泥取出后于0.1L球磨罐中，加入40颗3mm直径和20颗5mm直径的氧化锆球磨珠，100rpm/min转速，球磨4h，得到待还原样品；

S07，将S06中的待还原样品在管式炉中，以H₂/Ar为还原气氛，200℃还原，还原时间为60～80min，得到最终的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂。

碳载体的预处理方法包括以下步骤：

a，称取一定量的50g/m²比表面的碳载体于烧杯中，按碳载体与脲的质量比为1:3的配比加入脲，再加入超纯水至没过碳载体，超声分散60min；

b，80℃下加热搅拌蒸发至无明显可见水；

c，将步骤b得到的碳载体于真空干燥箱中80℃干燥过夜；

d，将干燥后的碳载体在管式炉中800℃氮气气氛下煅烧5h得载体碳。

本实施例还保护上述方法制备的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂以及该催化剂在燃料电池催化剂中的应用。

实施例3：

如图1～图2所示，负载型铂钯金三元合金纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S01，量取1.6mLPdCl₂的HCl溶液于烧杯中，其中HCl溶液为0.1mol/L，配制后的PdCl₂溶液为3wt％；然后在磁力搅拌下缓慢加入一定量氨水，直至体系呈无色，继续搅拌30min，待用；

S02，称取0.5g预处理过的碳载体于另一个烧杯中，加入2.2mL H₂PtCl₆和1.0mLH₂AuCl₆的水溶液，配制后的水溶液含1wt％H₂PtCl₆和2wt％H₂AuCl₆，在低温超声机中于0～1℃超声分散50min；

S03，将S01中的溶液加入S02，室温下分散50min；

S04，将S03的混合溶液于磁力搅拌器上在60℃温度下磁力搅拌蒸发至碳泥中无明显液体；

S05，将S04制备的碳泥进行冷冻干燥过夜；

S06，将S05冻干后的碳泥取出后于0.1L球磨罐中，加入15颗8mm直径和30颗5mm直径的氧化锆球磨珠，500rpm/min转速，球磨1h，得到待还原样品；

S07，将S06中的待还原样品在管式炉中，以H₂/Ar为还原气氛，300℃还原，还原时间为180min，得到最终的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂。

碳载体的预处理方法包括以下步骤：

a，称取一定量的50g/m²比表面的碳载体于烧杯中，按碳载体与脲的质量比为1:2的配比加入脲，再加入超纯水至没过碳载体，超声分散30min；

b，60℃下加热搅拌蒸发至无明显可见水；

c，将步骤b得到的碳载体于真空干燥箱中80℃干燥过夜；

d，将干燥后的碳载体在管式炉中600℃氮气气氛下煅烧3h得载体碳。

本实施例还保护上述方法制备的负载型铂钯金三元合金纳米催化剂以及该催化剂在燃料电池催化剂中的应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。