一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法和应用与流程

本发明属于电池催化剂，特别涉及一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法和应用。

背景技术：

1、燃料电池技术由于其清洁、无污染、低能耗、高能量密度成为最有希望、最有前途代替化石能源的动力能源之一。但是燃料电池阴极的氧还原反应动力学过程缓慢、过电势高、能量效率低、循环寿命差等这些问题的存在严重阻碍了其商业大规模应用和发展。

2、目前，由于贵金属拥有适宜的吸附与脱附能，使得铂、金、钯、银等在燃料电池阴极氧还原反应中表现出优异的氧催化活性。其中，贵金属铂具有更优异的催化活性，是目前认为最有前途的催化材料。但是其昂贵的成本，稀缺的自然储量以及很差的稳定性严重阻碍了其应用。质子交换膜燃料电池的商业化在很大程度上是受到了铂的高成本、低丰度以及含铂催化剂上的氧还原反应动力学不足的阻碍。尽管到目前为止努力开发多种氧还原反应催化剂，但铂基合金催化剂似乎是最具吸引力的催化剂，它不仅提高了催化活性和稳定性，还降低了铂的使用。

3、因此，如何将贵金属合金的催化性能发挥到最佳且应用到燃料电池实际应用中，成为研究领域的挑战。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法和应用。本发明所述制备方法制备的碳负载铂基纳米颗粒催化剂含有大的比表面积，其电催化氧还原活性显著高于传统商业化铂碳催化剂，且其制备方法简单便捷，能减少铂的使用量，从而降低成本，适合工业大量生产。

2、本发明的第一方面提供一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法。

3、具体的，一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将铂源、过渡非贵金属源和碳源溶解于溶剂中，分散，得到混合物溶液；

5、s2、将还原剂加入步骤s1所述混合物溶液中，搅拌反应，然后离心，收集沉淀物，得到所述碳负载铂基纳米颗粒催化剂。

6、优选的，步骤s1中，所述溶剂包括超纯水和/或乙二醇。

7、优选的，步骤s1中，所述分散为超声分散。

8、优选的，步骤s1中，所述铂源和所述过渡非贵金属源的质量比为10:(1-8)，进一步优选为10:(1-5)。

9、优选的，步骤s1中，所述铂源包括氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、氯化亚铂酸钠、氯化亚铂酸钾中至少一种。

10、优选的，步骤s1中，所述过渡非贵金属源包括铁金属盐、钴金属盐、镍金属盐、铜金属盐中至少一种。

11、可选的，所述过渡非贵金属源还可用非铂贵金属源代替，例如钯盐。

12、优选的，步骤s1中，所述碳源包括碳粉和/或柠檬酸盐。例如柠檬酸盐为柠檬酸钠。

13、优选的，步骤s1中，所述铂源与碳源的质量比为1：(140-170)，进一步优选为1：(150-160)。

14、优选的，步骤s2中，所述搅拌反应的温度为25-65℃，进一步优选为25-60℃。

15、优选的，步骤s2中，所述搅拌反应的时间为30-120min，进一步优选为90-120min。

16、优选的，步骤s2中，所述还原剂包括硼烷类物质，进一步优选为二甲氨基甲硼烷。

17、优选的，步骤s2中，所述还原剂以溶液的形式加入；进一步优选的，将二甲氨基甲硼烷溶解于超纯水中，得到还原剂溶液；更优选的，二甲氨基甲硼烷溶解于超纯水中，二甲氨基甲硼烷与超纯水的质量比为(140-150)mg：(20-35)ml，得到还原剂溶液。

18、优选的，步骤s2中，收集沉淀物后进行冷冻干燥。

19、优选的，一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法，包括以下步骤：

20、s1、将二甲氨基甲硼烷溶解于超纯水中，得到还原剂溶液；

21、s2、将铂源、过渡非贵金属源和碳源溶解于超纯水和乙二醇的混合溶液中，超声分散均匀得到混合物溶液；

22、s3、将上述步骤s1中的还原剂溶液滴加加入上述步骤s2所得混合物溶液中，一定温度下磁力搅拌反应一段时间，然后离心，收集沉淀物，最后经过冷冻干燥，得到所述碳负载铂基纳米颗粒催化剂。

23、本发明的第二方面提供一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂。

24、具体的，一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂，由上述制备方法制得，且所述碳负载铂基纳米颗粒催化剂的比表面积为125-135m2/g，例如为130m2/g、135m2/g。

25、本发明的第三方面提供上述碳负载铂基纳米颗粒催化剂的应用。

26、具体的，一种燃料电池，包括上述碳负载铂基纳米颗粒催化剂。

27、优选的，所述燃料电池为醇类燃料电池，进一步优选为乙醇燃料电池。

28、优选的，所述碳负载铂基纳米颗粒催化剂在燃料电池的阴极中进行电催化氧还原反应。

29、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

30、(1)本发明通过将铂源、过渡非贵金属源、碳源(碳粉和柠檬酸盐)和还原性溶液进行混合搅拌反应，得到碳负载的铂基纳米颗粒催化剂，利用铂与过渡非贵金属源形成合金以后不仅可以减少贵金属铂的用量，同时还可以提高催化剂在电催化氧还原中的活性。

31、(2)本发明的制备方法简单便捷，条件可控，效率高，贵金属利用率高，成本低，适合大规模生产。

32、(3)本发明制得的铂基纳米颗粒催化剂含有丰富的比表面积，其电催化氧还原活性和乙醇电氧化过程中的催化活性都显著的高于商业化铂碳催化剂。

技术特征：

1.一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述铂源和所述过渡非贵金属源的质量比为10:(1-8)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述铂源包括氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、氯化亚铂酸钠、氯化亚铂酸钾中至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述过渡非贵金属源包括铁金属盐、钴金属盐、镍金属盐、铜金属盐中至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述碳源包括碳粉和/或柠檬酸盐。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述铂源与碳源的质量比为1：(140-170)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述搅拌反应的温度为25-65℃；和/或，所述还原剂包括硼烷类物质。

8.一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得，且所述碳负载铂基纳米颗粒催化剂的比表面积为125-135m2/g。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求8所述的碳负载铂基纳米颗粒催化剂。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池为醇类燃料电池。

技术总结
本发明属于电池催化剂技术领域，特别涉及一种碳负载铂基纳米颗粒催化剂的制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：S1、将铂源、过渡非贵金属源和碳源溶解于溶剂中，分散，得到混合物溶液；S2、将还原剂加入步骤S1混合物溶液中，搅拌反应，然后离心，收集沉淀物，得到碳负载铂基纳米颗粒催化剂。本发明通过将铂源、过渡非贵金属源、碳源(碳粉和柠檬酸盐)和还原性溶液进行混合搅拌反应，得到碳负载的铂基纳米颗粒催化剂，利用铂与过渡非贵金属源形成合金以后不仅可以减少贵金属铂的用量，同时还可以提高催化剂在电催化氧还原中的活性。

技术研发人员：张信义,於鑫,王姚光,黎先哲,赵志亮
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17