一种氧还原反应催化剂及其制备方法和应用与流程

本申请涉及燃料电池，主要涉及一种氧还原反应催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、燃料电池的阴极氧还原反应（orr）是缓慢的动力学过程，通常使用高效的贵金属催化剂。在实际的燃料电池应用中，高铂负载量（40~50 wt%）的铂碳催化剂能够满足应用要求：（1）高负载量能够减小膜电极中催化剂层的厚度，有效减少高电流密度下的传质损失；（2）粒径大小（通常认为3-5 nm）合适，分散均匀的铂碳催化剂能够在半电池和膜电极中表现出良好的催化活性和稳定性。但是，铂碳催化剂尤其是高铂负载量仍面临制备过程中的金属颗粒团聚及电化学稳定性带来的严峻挑战，通过碳载体的功能化开发实现高负载量电催化剂，对解决铂利用率低下、活性与稳定性等问题具有重要意义。

2、一方面，可作为orr电催化剂的新型碳载体材料种类繁多，包括碳纳米管、石墨烯、碳量子点、碳纳米带、碳笼和源自金属有机骨架（mofs）的碳材料等，引起各研究领域人员广泛兴趣，通过探究碳载体对orr活性调控机制、设计开发新型碳载体、基于碳载体对催化剂活性中心的设计与调控，有利于开发高效、高耐久性的orr催化剂。碳载体的问题在于高度石墨化的载体很难分散铂纳米颗粒，而高比表面积碳载体稳定性较差，因此亟待探索新型碳载体，从而实现铂纳米颗粒均匀分散的同时提供良好的稳定性。

3、另一方面，商业铂碳催化剂的主要制备方法是浸渍还原法和液相还原法。其中，浸渍还原法操作简单、易放大，但是铂纳米颗粒均匀程度及铂纳米颗粒在碳载体上的位置比较难控制，使用高比表面积碳载体的时候，极易沉积到碳载体的微孔内部从而无法利用。而液相还原法主要使用硼氢化钠还原剂，具有一定危险性，也容易造成样品中硼污染，影响性能。另外，硼氢化钠还原性强，对铂纳米颗粒尺寸控制较差；若使用还原性较弱的乙二醇作为溶剂和还原剂可以较好控制铂纳米颗粒尺寸，但是成本较高。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种氧还原反应催化剂及其制备方法和应用，所述氧还原反应催化剂以石墨炔为载体，负载铂纳米颗粒，旨在解决现有碳载体无法同时实现铂纳米颗粒均匀分散以及提供良好稳定性的问题。

2、本申请的技术方案如下：

3、一种氧还原反应催化剂的制备方法，其中，包括以下步骤：

4、将石墨炔粉末加入水中，超声分散，直至石墨炔粉末完全均匀分散在水中，得到石墨炔溶液；

5、将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合，在搅拌状态下加入稀甲酸溶液，在搅拌状态下进行反应；

6、抽滤，对固相进行清洗，烘干，得到所述氧还原反应催化剂。

7、通过采用优化后的液相还原法制备氧还原反应催化剂，步骤简单。

8、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述石墨炔溶液的浓度为0.5-5 mg/ml，所述氯铂酸溶液的浓度为0.02-0.08 m。

9、采用以上浓度的范围的墨炔溶液和氯铂酸溶液配合，可以使铂纳米颗粒在石墨炔表面生长尺寸均一、分布均匀。

10、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合后，还包括以下步骤：

11、将所述石墨炔溶液与所述氯铂酸溶液的混合溶液静置3小时或以上。

12、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述在搅拌状态下进行反应的步骤具体为在50~70℃水浴中，在搅拌状态下反应0.5~3h。

13、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合的步骤中，石墨炔与铂原子的混合质量比范围为8:2~5:5。

14、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述稀甲酸溶液的体积分数为3-5%，每10mg铂原子对应加入0.2-1.0ml的纯甲酸。

15、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，每10mg铂原子对应加入0.3-0.5ml的纯甲酸。

16、所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其中，所述超声分散的时间为30-60min。

17、一种氧还原反应催化剂，其中，采用如上所述的氧还原反应催化剂的制备方法制备得到，所述氧还原反应催化剂以所述石墨炔为碳载体，所述石墨炔表面负载有铂纳米颗粒；

18、所述的氧还原反应催化剂，其中，所述铂纳米颗粒的负载量范围为20wt%~50wt%，铂纳米颗粒的粒径范围为2~5 nm。

19、一种如上所述的氧还原反应催化剂的应用，其中，将所述氧还原反应催化剂用作燃料电池的阴极氧还原反应的催化剂。

20、有益效果：本申请的氧还原反应催化剂，以石墨炔为载体，负载铂纳米颗粒，通过采用优化后的液相还原法制备氧还原反应催化剂，步骤简单，且制备得到的氧还原反应催化剂的铂纳米颗粒在石墨炔表面生长尺寸均一、分布均匀，具有优异的orr活性和稳定性，具有优于商业催化剂的性能。

技术特征：

1.一种氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述石墨炔溶液的浓度为0.5-5 mg/ml，所述氯铂酸溶液的浓度为0.02-0.08 m。

3.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合后，还包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述在搅拌状态下进行反应的步骤具体为在50~70℃水浴中，在搅拌状态下反应0.5~3h。

5.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合的步骤中，石墨炔与铂原子的混合质量比范围为8:2~5:5。

6.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述稀甲酸溶液的体积分数为3-5%，每10mg铂原子对应加入0.2-1.0ml的纯甲酸。

7.根据权利要求6所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，每10mg铂原子对应加入0.3-0.5ml的纯甲酸。

8.根据权利要求1所述的氧还原反应催化剂的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为30-60min。

9.一种氧还原反应催化剂，其特征在于，采用如权利要求1~8任一项所述的氧还原反应催化剂的制备方法制备得到，所述氧还原反应催化剂以所述石墨炔为碳载体，所述石墨炔表面负载有铂纳米颗粒；

10.一种如权利要求9所述的氧还原反应催化剂的应用，其特征在于，将所述氧还原反应催化剂用作燃料电池的阴极氧还原反应的催化剂。

技术总结
本申请涉及燃料电池技术领域，公开了一种氧还原反应催化剂及其制备方法和应用，包括以下步骤：将石墨炔粉末加入水中，超声分散，直至石墨炔粉末完全均匀分散在水中，得到石墨炔溶液；将所述石墨炔溶液与氯铂酸溶液混合，在搅拌状态下加入稀甲酸溶液，在搅拌状态下进行反应；抽滤，对固相进行清洗，烘干，得到所述氧还原反应催化剂。本申请通过采用优化后的液相还原法制备氧还原反应催化剂，步骤简单，且制备得到的氧还原反应催化剂的铂纳米颗粒在石墨炔表面生长尺寸均一、分布均匀，具有表现优异的ORR活性和稳定性，具有优于商业催化剂的性能。

技术研发人员：王荣跃,杜云程,陈忠伟
受保护的技术使用者：有研（广东）新材料技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24