铂镍合金催化剂及其制备方法和应用与流程

本申请涉及燃料电池，特别是涉及一种铂镍合金催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池的能量转换效率高并且污染较小，在未来可持续能源体系建设中占据不可替代的作用，已成功应用于电网固定发电、汽车和便携式电力设备等领域。然而，质子交换膜燃料电池存在成本过高、寿命较短等问题，影响其产业化进程。催化剂是燃料电池中的核心部件之一，其主要由碳载体和负载在碳载体上的金属铂组成。金属铂价格昂贵，因此催化剂的原料成本是影响燃料电池成本的主要因素之一。

2、铂合金催化剂是金属铂与其他金属制成的催化剂，能够降低铂的用量，进而降低催化剂的成本。金属镍成本低且催化活性高，因此铂镍合金催化剂被认为是具有应用前景的铂合金催化剂之一。然而，在传统的铂镍合金催化剂中，铂镍合金纳米粒子尺寸较大，并且在碳载体上的分散性较差，故催化活性并不理想。此外，在燃料电池的使用过程中，上述铂镍合金纳米粒子容易发生团聚和脱落，降低了催化剂的耐久性。

3、因此，如何制备活性和耐久性较高的铂镍合金催化剂成为了亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种活性和耐久性较高的铂镍合金催化剂及其制备方法和应用。

2、第一方面，提供了一种铂镍合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、将镍源、还原剂、有机表面活性剂与第一溶剂混合，得到第一混合溶液，其中镍源与有机表面活性剂的质量比为1：(0.25～0.8)；

4、对第一混合溶液进行第一加热处理，以使第一混合溶液中的ni2+还原，得到第二混合溶液，第二混合溶液中分散有表面包覆有有机表面活性剂的镍纳米粒子；

5、向第二混合溶液中加入铂源水溶液并进行第二加热处理，以使铂源在镍纳米粒子的表面还原，固液分离取固体，得到表面包覆有有机表面活性剂的铂镍合金纳米粒子；

6、将铂镍合金纳米粒子、载体与第二溶剂混合，固液分离取固体，得到中间体，中间体包括载体和负载在载体上的铂镍合金纳米粒子；

7、对中间体进行煅烧处理，得到铂镍合金催化剂。

8、在上述制备方法中，通过调控有机表面活性剂的用量，结合两次加热处理、负载处理以及煅烧处理制得了催化活性和耐久性较好的铂镍合金催化剂。具体地，在第一加热处理过程中，还原剂将镍源中的ni2+还原为镍纳米粒子，同时有机表面活性剂在镍纳米粒子的表面原位形成包覆层，可有效防止上述纳米粒子的团聚，进而得到具有包覆层且颗粒细小的镍纳米粒子。接着在第二加热处理中，上述包覆层中的有机表面活性剂能够吸附铂源中的铂，并以镍纳米粒子作为晶种，使铂源在晶种上发生还原反应，由此得到颗粒细小的铂镍合金纳米粒子。在负载处理中，铂镍合金纳米粒子的有机表面活性剂包覆层能够改善上述纳米粒子在第二溶剂中的分散性，进而得到均匀负载有铂镍合金纳米粒子的中间体。在煅烧处理中，中间体中残留的有机表面活性剂发生部分热解，在铂镍合金纳米粒子的表面形成碳层，可提高铂镍合金纳米粒子与载体的结合强度，防止上述纳米粒子的团聚和脱落，进一步提高的催化剂的活性和耐久性。

9、在其中一些实施例中，镍源与有机表面活性剂的质量比为1：(0.35～0.5)。

10、在其中一些实施例中，镍源包括乙酸镍、硝酸镍和氯化镍中的至少一种。

11、在其中一些实施例中，还原剂包括抗坏血酸、硼氢化钠、乙二醇和1,2-十六烷二醇中的至少一种。

12、在其中一些实施例中，有机表面活性剂包括聚乙烯醇、油胺和油酸中的至少一种。

13、在其中一些实施例中，第一溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、环己烷和二苯基醚中的至少一种。

14、在其中一些实施例中，载体包括科琴黑和xc-72炭黑中的至少一种。

15、在其中一些实施例中，第二溶剂包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。

16、在其中一些实施例中，镍源与还原剂的质量比为1：(0.25～1)。

17、在其中一些实施例中，在第一混合溶液中，ni2+的浓度为0.02mol/l～0.12mol/l。

18、在其中一些实施例中，第一加热处理的加热温度为80℃～100℃，时间为30min～40min。

19、在其中一些实施例中，第二加热处理的温度为160℃～200℃，时间为0.5h～3h。

20、在其中一些实施例中，铂源水溶液与第二混合溶液的体积比为1：(0.18～1.25)

21、在其中一些实施例中，铂源水溶液的浓度为0.035mol/l～0.065mol/l。

22、在其中一些实施例中，将铂镍合金纳米粒子分散于第三溶剂后，再与载体和第二溶剂混合，其中第三溶剂包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。

23、在其中一些实施例中，铂镍合金、载体与第二溶剂混合的步骤包括：

24、采用超声处理将载体分散于第二溶剂中，随后加入分散有铂镍合金纳米粒子的第三溶剂，并持续进行超声处理。

25、在其中一些实施例中，煅烧处理的温度为200℃～500℃，时间为3h～5h，气氛为氮气气氛。

26、第二方面，提供了一种采用上述制备方法制得的铂镍合金催化剂。

27、第三方面，提供了上述铂镍合金催化剂在制备燃料电池中的应用。

28、第四方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括催化层，该催化层的原料包括上述的铂镍合金催化剂。

技术特征：

1.一种铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述镍源与所述有机表面活性剂的质量比为1：(0.35～0.5)。

3.如权利要求1所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述镍源包括乙酸镍、硝酸镍和氯化镍中的至少一种；

4.如权利要求1～3任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述镍源与所述还原剂的质量比为1：(0.25～1)；

5.如权利要求1～3任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述第一加热处理的加热温度为80℃～100℃，时间为30min～40min；

6.如权利要求1～3任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂源水溶液与所述第二混合溶液的体积比为1：(0.18～1.25)；

7.如权利要求1～3任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，将所述铂镍合金纳米粒子分散于第三溶剂后，再与所述载体和所述第二溶剂混合，其中所述第三溶剂包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇中的至少一种。

8.如权利要求7所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂镍合金、载体与第二溶剂混合的步骤包括：

9.如权利要求1～3任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述煅烧处理的温度为200℃～500℃，时间为3h～5h，气氛为氮气气氛。

10.一种铂镍合金催化剂，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的铂镍合金催化剂的制备方法制得。

11.权利要求10所述铂镍合金催化剂在制备燃料电池中的应用。

12.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括催化层，所述催化层的原料包括权利要求10所述的铂镍合金催化剂。

技术总结
本申请涉及一种铂镍合金催化剂及其制备方法和应用。上述制备方法包括以下步骤：将镍源、还原剂、有机表面活性剂与第一溶剂混合，得到第一混合溶液，其中镍源与有机表面活性剂的质量比为1：(0.25～0.8)。对第一混合溶液进行第一加热处理，得到第二混合溶液，第二混合溶液中分散有表面包覆有有机表面活性剂的镍纳米粒子。向第二混合溶液中加入铂源水溶液并进行第二加热处理，以使铂源在镍纳米粒子的表面还原，固液分离取固体，得到表面包覆有有机表面活性剂的铂镍合金纳米粒子。将铂镍合金纳米粒子、载体与第二溶剂混合，固液分离取固体，得到中间体，中间体包括载体和负载在载体上的铂镍合金纳米粒子。对中间体进行煅烧处理，得到铂镍合金催化剂。

技术研发人员：王晶晶,于力娜,唐柳,张中天,刘江唯,朱雅男,刘晓雪,高梦阳,苗梓航
受保护的技术使用者：一汽解放汽车有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15