铂碳催化剂及其制备方法和应用以及氢燃料电池与流程

本发明涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，本发明还涉及采用该铂碳催化剂的氢燃料电池。

背景技术：

1、由于化石能源的日益消耗及环境污染问题的加剧，高效、无污染、零碳排放的质子交换膜燃料电池技术取得了长足的发展。但目前而言，整个燃料电池技术的发展仍然处于起步阶段，进一步发展仍受以下几方面的技术制约：高成本、低寿命和有限的能量密度。其中，阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction，orr)动力学速度缓慢，其交换电流密度在10-6a/cm2，远远小于阳极的氢氧化交换电流密度，极化阻力现象的存在使得电池实际电位远低于理论值。而对于氧还原反应最有效的催化剂为贵金属铂，其成本约占燃料电池总成本的40％。经过多年的研究发现，催化剂催化活性的衰减是造成燃料电池性能衰减的主要原因之一，因而，研发高性能和耐久性的的氧还原反应电极催化剂对加速燃料电池商业化具有十分重要的意义。

2、目前制备碳载铂催化剂的方法比较多，如液相还原法、气相还原法、胶体法、气相沉积法、微波法等，每种制备方法都有其相应的优缺点，如胶体法、气相沉积法、微波法等工艺可以制备出高分散的铂基催化剂，但这三种工艺的成本较高，且在放大过程中存在着诸多问题，难以实现放大。对于气相还原法，如氢气还原工艺，其优点是能够使得铂与载体炭的结合较为紧密，稳定性好，缺点是难以对催化剂的形貌进行控制，同时铂的载量往往在40重量％以下，难以提升，这样就限制了铂基催化剂工艺的普适性。而普通的液相还原法：如乙二醇高温还原工艺、有机酸还原工艺等，其优点是工艺简单，易于中试放大，但缺点是结构分散性差，铂纳米颗粒与载体之间结合力较弱。

3、因此研发一种易于实现批量化生产且合成出活性、稳定性均优异的催化剂的合成工艺尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铂碳催化剂及其制备方法，该铂碳催化剂具有提高的结构分散度以及催化活性，所述制备方法易于实现批量化生产。

2、根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种铂碳催化剂，该铂碳催化剂含有碳质载体以及负载在所述碳质载体上的铂纳米颗粒，其中，该铂碳催化剂中，铂纳米颗粒与碳载体的接触角为50°以下。

3、根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种铂碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、将碳质材料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，得到第一分散体，所述络合剂为二元羧酸的水溶性盐和多元羧酸的水溶性盐中的一种或两种以上，所述分散介质为丙三醇和水；

5、s2、将所述第一分散体的ph值调节为11-14，得到第二分散体；

6、s3、将还原剂添加到所述第二分散体中，使所述还原剂与所述第二分散体中的铂前驱体接触进行还原反应，所述还原剂含有聚乙烯吡咯烷酮和甲酸，还原剂与铂前驱体的摩尔比为150-1000：1。

7、根据本发明的第三个方面，本发明提供了由本发明第二个方面所述的方法制备的铂碳催化剂。

8、根据本发明的第四个方面，本发明提供了本发明第一个方面或者第三个方面所述的铂碳催化剂在燃料电池中的应用。

9、根据本发明的第五个方面，本发明提供了一种氢燃料电池，该氢燃料电池的阳极和/或阴极含有本发明第一个方面或者第三个方面所述的铂碳催化剂。

10、根据本发明的铂碳催化剂具有改善的结构分散性，显示出提高的电化学催化活性和稳定性。根据本发明的铂碳催化剂的制备方法，制备工序简洁，能有效地改善金属铂颗粒与载体之间的相互作用，提高金属铂颗粒在载体上的分散度，改善制备的铂碳催化剂的电化学催化活性和稳定性。

技术特征：

1.一种铂碳催化剂，该铂碳催化剂含有碳质载体以及负载在所述碳质载体上的铂纳米颗粒，其特征在于，该铂碳催化剂中，铂纳米颗粒与碳质载体的接触角为50°以下。

2.根据权利要求1所述的铂碳催化剂，其中，该铂碳催化剂中，铂纳米颗粒与碳质载体的接触角为30°-50°。

3.根据权利要求1所述的铂碳催化剂，其中，该铂碳催化剂中，铂纳米颗粒的平均粒径在3-4nm的范围内。

4.根据权利要求1所述的铂碳催化剂，其中，以该铂碳催化剂的总量为基准，以元素计，该铂碳催化剂中，铂的含量为20-90重量％，碳质载体的含量为10-80重量％，所述碳质载体以碳元素计；

5.根据权利要求1或4所述的铂碳催化剂，其中，所述碳质载体为导电碳黑。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的铂碳催化剂，其中，该铂碳催化剂的半波电位为0.86v以上，优选为0.88v以上；

7.一种铂碳催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤s1的分散介质中，丙三醇与水的体积为0.2-5：1，优选为0.3-3：1，更优选为0.5-2：1；

9.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤s1中，所述络合剂为选自柠檬酸钠、草酸钠、乙二胺四乙酸钠和酒石酸钠中的一种或两种以上；

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的方法，其中，步骤s1中，所述铂前驱体为选自氯铂酸、氯铂酸钾和氯铂酸钠中的一种或两种以上。

11.根据权利要求7-10中任意一项所述的方法，其中，步骤s1中，所述碳质材料为导电碳黑。

12.根据权利要求7-11中任意一项所述的方法，其中，步骤s1中，所述超声波的功率为100-1000w；

13.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤s3所述还原剂中，聚乙烯吡咯烷酮与甲酸的摩尔比为1：1-5，优选为1：1-3。

14.根据权利要求7或13所述的方法，其中，步骤s3中，还原剂与铂前驱体的摩尔比为160-800：1，优选为180-500：1，更优选为200-300：1，所述铂前驱体以铂元素计。

15.根据权利要求7、13和14中任意一项所述的方法，其中，步骤s3中，所述还原反应在50-140℃的温度下进行，优选在70-100℃的温度下进行；

16.一种由权利要求7-15中任意一项所述的方法制备的铂碳催化剂。

17.权利要求1-6和16中任意一项所述的铂碳催化剂在燃料电池中的应用。

18.一种氢燃料电池，该氢燃料电池的阳极和/或阴极含有权利要求1-6和权利要求16中任意一项所述的铂碳催化剂。

技术总结
本发明公开了一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，本发明还公开了采用该铂碳催化剂的氢燃料电池。所述铂碳催化剂含有碳质载体以及负载在所述碳质载体上的金属铂颗粒，该铂碳催化剂中，铂纳米颗粒与碳载体的接触角为50°以下。所述制备方法包括将碳质材料、铂前驱体、络合剂和分散介质用超声波进行分散，调节pH值后用含有聚乙烯吡咯烷酮和甲酸的还原剂进行还原。根据本发明的铂碳催化剂具有改善的结构分散性，显示出提高的电化学催化活性和稳定性。根据本发明的铂碳催化剂的制备方法，制备工序简洁，能有效地改善金属铂颗粒与载体之间的相互作用，提高金属铂颗粒在载体上的分散度，改善制备的铂碳催化剂的电化学催化活性和稳定性。

技术研发人员：王厚朋,顾贤睿,张家康,彭茜,谢南宏,张云阁,夏庆山
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12