一种铂碳催化剂及其制备方法和燃料电池与流程

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和燃料电池。

背景技术：

1、燃料电池反应分为阴极和阳极两个半反应。目前，阴极催化剂一般为铂碳催化剂，制约其使用的一个重要因素在于阴极铂碳催化剂在燃料电池反应过程中的流失和失效。在使用过程中，在燃料电池内部高温、高湿度、高酸性的环境中，纳米级的铂基贵金属在催化过程中面临着铂的溶解和沉积的动态平衡，从而带来纳米尺度的铂基纳米颗粒向电解质的溶解、迁移、聚集、熟化等问题导致催化剂活性的下降甚至失效。

2、常用的对阴极铂碳催化剂进行保护方法包括对铂基纳米颗粒表面进行碳层包覆以形成保护，例如多巴胺包覆方法。这些方法都是通过碳层包覆在催化剂铂颗粒表面，限制或减少铂纳米颗粒向电解质环境的溶解或其他位置的迁移、聚集和熟化的策略。

3、但上述包覆策略都面临着碳层包覆所带来的催化剂寿命的提高和包覆导致催化剂位点减少(初始活性下降)之间的制约关系。这些都源自于碳层包覆层和铂纳米颗粒表面之间的紧密接触，这层接触虽然能够提高铂纳米颗粒的稳定性，但也带来了催化剂活性位点的损失。

4、有鉴于此，特提出此发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种铂碳催化剂，能够在不损失催化剂初始活性的前提下，实现对铂碳催化剂中铂金属组分的保护，提高铂碳催化剂的寿命。

2、本发明的第二目的在于提供一种铂碳催化剂的制备方法。

3、本发明的第三目的在于提供一种燃料电池。

4、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

5、本发明的一种铂碳催化剂，包括碳载体以及负载于所述碳载体上的核壳结构纳米颗粒；

6、所述核壳结构纳米颗粒包括空心碳材料以及位于所述空心碳材料的空腔内的铂纳米颗粒。

7、进一步地，所述铂纳米颗粒的粒径为2～3nm；

8、和/或，所述空心碳材料的粒径为10～15nm，所述空心碳材料的壁厚为0.5～2nm。

9、进一步地，所述碳载体和所述核壳结构纳米颗粒的质量比为(1～5)：1。

10、本发明还提供了如上所述的铂碳催化剂的制备方法，包括如下步骤：

11、s1、乙酰丙酮铂、第一有机配体和还原剂反应后得到铂纳米颗粒；

12、s2、油酸铁、第二有机配体、溶剂和所述铂纳米颗粒反应后，得到纳米胶体颗粒；

13、s3、将含有所述纳米胶体颗粒和碳源的溶液进行超声处理后，得到负载有所述纳米胶体颗粒的碳载体；

14、s4、所述负载有纳米胶体颗粒的碳载体依次进行退火处理、酸刻蚀和碳化处理，得到所述铂碳催化剂。

15、进一步地，步骤s1中，包括以下特征(1)至(4)中的至少一种；

16、(1)所述第一有机配体包括油胺和/或十六胺；

17、(2)所述还原剂包括甲硼烷-叔丁胺络合物；

18、(3)所述乙酰丙酮铂、所述第一有机配体和所述还原剂的质量比为1：(150～170)：(2～6)；

19、(4)所述反应的温度为120～130℃。

20、进一步地，步骤s2中，包括以下特征(1)至(4)中的至少一种；

21、(1)所述第二有机配体包括油酸、油胺和十六胺中的至少一种；

22、(2)所述溶剂包括十八烯、十六烯、十四烯和二苄醚中的至少一种；

23、(3)所述油酸铁、所述第二有机配体、所述溶剂和所述铂纳米颗粒的质量比为(700～750)：(200～250)：(1500～1800)：1；

24、(4)所述反应的温度为220～325℃。

25、进一步地，步骤s3中，所述纳米胶体颗粒和所述碳源的质量比为(1～5)：1。

26、进一步地，步骤s4中，所述退火处理包括：在450～550℃下保温处理1～2h；

27、和/或，所述酸刻蚀的刻蚀液包括硫酸溶液和/或乙酸溶液。

28、进一步地，步骤s4中，所述碳化处理包括：在650～750℃下保温处理1～2h。

29、本发明还提供了一种燃料电池，包括如上所述的铂碳催化剂或者如上所述的铂碳催化剂的制备方法制得的铂碳催化剂。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本发明的铂碳催化剂，通过将铂纳米颗粒以及包覆于铂纳米颗粒的碳层在空间上进行分隔；从而可以在实现对铂纳米颗粒保护的同时不过多的阻碍表面活性面积的暴露，减少铂碳催化剂初始活性的损失，提高了铂碳催化剂的使用寿命。

技术特征：

1.一种铂碳催化剂，其特征在于，包括碳载体以及负载于所述碳载体上的核壳结构纳米颗粒；

2.根据权利要求1所述的铂碳催化剂，其特征在于，所述铂纳米颗粒的粒径为2～3nm；

3.根据权利要求1所述的铂碳催化剂，其特征在于，所述碳载体和所述核壳结构纳米颗粒的质量比为(1～5)：1。

4.如权利要求1～3任一项所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，包括以下特征(1)至(4)中的至少一种；

6.根据权利要求4所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，包括以下特征(1)至(4)中的至少一种；

7.根据权利要求4所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述纳米胶体颗粒和所述碳源的质量比为(1～5)：1。

8.根据权利要求4所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述退火处理包括：在450～550℃下保温处理1～2h；

9.根据权利要求4所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述碳化处理包括：在650～750℃下保温处理1～2h。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的铂碳催化剂或者权利要求4～9任一项所述的铂碳催化剂的制备方法制得的铂碳催化剂。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和燃料电池。本发明提供的一种铂碳催化剂，包括碳载体以及负载于所述碳载体上的核壳结构纳米颗粒；所述核壳结构纳米颗粒包括空心碳材料以及位于所述空心碳材料的空腔内的铂纳米颗粒。本发明的铂碳催化剂，通过将铂纳米颗粒封装在空心碳材料的空腔内并且使铂纳米颗粒和碳材料的内壁之间存在空隙，实现了铂纳米颗与碳层在空间上的分隔；从而可以在实现对铂纳米颗粒保护的同时减少铂碳催化剂初始活性的损失，提高铂碳催化剂的使用寿命。

技术研发人员：范朋硕,方川,李飞强
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21