一种Pt-Pd枝晶中空纳米线催化剂、其制备方法及应用

本发明涉及燃料电池的，具体涉及一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂、其制备方法及应用。

背景技术：

1、随着工业革新和社会经济的发展，传统能源（主要为煤碳和石油）日渐枯竭，并且伴随着环境污染问题，发展新型清洁能源已经成为了一种新的趋势。

2、质子交换膜燃料电池（pemfcs）作为新型绿色能源，工作温度低、功率密度高、启动速度快、能源转换率高和对环境友好等优点而被研究人员广泛关注。然而，一方面由于阴极氧化还原反应（orr）缓慢的动力学过程；另一方面贵金属pt在自然环境中储存量较少和价格昂贵，成为制约燃料电池大规模商业化生产的关键因素。因此，如何提高催化剂的催化活性和增强催化剂的稳定性以及降低成本是未来燃料电池的发展方向。

3、目前为止，人们已经为orr设计更有效、更便宜的电催化剂方面做出了巨大的努力，其中pt基催化剂的电催化性能被证明为最有希望的orr催化剂，但是由于商业pt/c电催化剂在使用过程中，纳米颗粒发生团聚，导致结构不稳定，催化活性和稳定性都降低。因此，控制pt基纳米颗粒的形状、组成和结构，以获得更好的orr电催化剂。

4、一方面，可以把pt催化剂设计成纳米线、纳米片和纳米立方体，通过改变催化剂的形状以获得更好的催化活性；另一方面，pt与其他金属（pd、fe、co和ni）合金，形成pt基双金属、三金属和多金属催化剂。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂，能够提供更多的催化活性位点和加快电子传输进而能够增强催化剂的催化活性。

2、本发明的目的之二在于提供一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，工艺简单、重复性好，制备过程安全，可以实现大批量制备

3、本发明的目的之三在于提供一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的应用。

4、本发明实现目的之一所采用的方案是：一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1：依次将钯前驱体、第一结构导向剂以及第一还原剂与第一溶剂混合均匀，进行水热反应，得到pd nws（钯纳米线）；

6、步骤2：依次将pd nws、第二结构导向剂以及第二还原剂与第二溶剂混合均匀后，再加入铂前驱体进行还原反应和置换反应，得到所述pt-pd枝晶中空纳米线催化剂pt-pdndhs。

7、优选地，所述步骤1中，钯前驱体为氯化钯或四氯钯酸钠，第一结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮，第一还原剂为nacl、nabr和nai中的至少一种，第一溶剂为去离子水、乙醇、甲苯、氯化钠溶液中的任意一种。

8、优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为50000～58000。

9、更为优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为55000～58000。

10、优选地，所述步骤1中，钯前驱体、第一结构导向剂以及第一还原剂的摩尔比为0.08～0.12：0.016～0.018：1.5～2.5。

11、优选地，所述步骤1中，水热反应的温度为170～210 ℃，反应时间为2～3 h。

12、优选地，所述步骤2中，钯元素、铂元素、第二结构导向剂以及第二还原剂的摩尔比为0.015～0.025：0.12～0.18：0.0009～0.0014：0.22～0.28。

13、优选地，所述步骤2中，铂前驱体为氯铂酸钾或氯亚铂酸钾，第二结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮、第二还原剂为抗坏血酸、葡萄糖和柠檬酸钠的任意一种，第二溶剂为去离子水、乙醇和甲苯中的任意一种。

14、优选地，所述步骤2中，反应是在75～95℃搅拌反应20～36 h。

15、更为优选的，所述步骤2中，反应是在75～95℃搅拌反应24～32 h.

16、本发明实现目的之二所采用的方案是：一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂，采用所述的制备方法制得。

17、本发明实现目的之三所采用的方案是：一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的应用，将所述pt-pd枝晶中空纳米线催化剂应用于燃料电池中，所述燃料电池包括质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。

18、以下是本发明的催化剂在燃料电池上的几个主要应用：

19、阳极催化剂：通常用于阳极反应中，促进燃料氧化反应。在质子交换膜燃料电池中，可以加速氢气（或其他燃料）的氧化反应，将其转化为质子。在直接甲醇燃料电池中，可以促进甲醇的氧化反应。

20、阴极催化剂：也可用于阴极反应中，即氧还原反应。它们可以加速氧气的还原反应，将氧气还原为水，并提供所需的电子。

21、催化剂支撑材料：通常被载在一种支撑材料上，如碳黑或碳纳米管。这些支撑材料不仅可以增加催化剂的表面积，提高反应效率，还可以提供电子传输路径和稳定性。

22、电催化剂：还可用于其他电化学反应中，如氧气还原反应（orr）和氢气进化反应（her）。这些反应在能源转换和储存领域具有重要意义。

23、综上，该一维结构枝晶和中空纳米线不仅增强催化剂的活性而且提高催化剂的稳定性，为高效pt基催化剂的合成提供了新途径。

24、本发明具有以下优点和有益效果：

25、（1）本发明采用了水热法制备，工艺简单、重复性好，制备过程安全，可以实现大批量制备。

26、（2）本发明的制备方法制备的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂，为中空、枝晶状的催化剂，这种结构能够提供更多的催化活性位点和加快电子传输，进而能够增强催化剂的催化活性和节约成本。

27、（3）本发明的制备方法制备的一维结构的nws因具有各向异性，可以避免催化剂在反应过程中发生ostwald ripening引发纳米结构团聚导致结构不稳定；而制备的催化剂具有枝晶和中空的结构，一方面，纳米枝晶结构增加了纳米线催化剂的比表面积，提供丰富的催化位点，加快电子传输，增大氧化还原反应动力学；另一方面，中空结构增大了氧化还原反应的接触面积，提高pt原子利用率，同时，pd元素的存在，导致pt的d-带中心下移，减小了pt与氧化物之间的吸附，提高催化剂的活性。

28、（4）本发明的一维pt-pd枝晶中空催化剂在燃料电池中具有重要的应用，特别是在质子交换膜燃料电池（pemfc）和直接甲醇燃料电池（dmfc）中。

技术特征：

1.一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，钯前驱体为氯化钯或四氯钯酸钠，第一结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮，第一还原剂为nacl、nabr和nai中的至少一种，第一溶剂为去离子水、乙醇、甲苯、氯化钠溶液中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为50000～58000。

4.根据权利要求2所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，钯前驱体、第一结构导向剂以及第一还原剂的摩尔比为0.08～0.12：0.016～0.018：1.5～2.5。

5. 根据权利要求1所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，水热反应的温度为170～210 ℃，反应时间为2～3 h。

6.根据权利要求1所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，钯元素、铂元素、第二结构导向剂以及第二还原剂的摩尔比为0.015～0.025：0.12～0.18：0.0009～0.0014：0.22～0.28。

7.根据权利要求1所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，铂前驱体为氯铂酸钾或氯亚铂酸钾，第二结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮、第二还原剂为抗坏血酸、葡萄糖和柠檬酸钠的任意一种，第二溶剂为去离子水、乙醇和甲苯中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，反应是在75～95℃搅拌反应20～36h。

9.一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。

10.一种pt-pd枝晶中空纳米线催化剂的应用，其特征在于：将所述pt-pd枝晶中空纳米线催化剂应用于燃料电池中，所述燃料电池包括质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。

技术总结
本发明涉及燃料电池的技术领域，具体涉及一种Pt‑Pd枝晶中空纳米线催化剂、其制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：依次将钯前驱体、第一结构导向剂以及第一还原剂与第一溶剂混合均匀，进行水热反应，得到Pd NWs；依次将Pd NWs、第二结构导向剂以及第二还原剂与第二溶剂混合均匀后，再加入铂前驱体进行还原反应和置换反应，得到所述Pt‑Pd枝晶中空纳米线催化剂Pt‑Pd NDHs。本发明制备的催化剂，为中空、枝晶状的催化剂，这种结构能够提供更多的催化活性位点和加快电子传输，进而能够增强催化剂的催化活性和节约成本。制备的催化剂在燃料电池中具有重要的应用，特别是在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中。

技术研发人员：刘勇,王明伟,许哲玮,刘金峰,王小倩
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15