[发明专利]一种花瓣形Cu掺杂PtRu合金催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种花瓣形Cu掺杂PtRu合金催化剂及其制备方法。花瓣形Cu掺杂PtRu合金催化剂，其形貌为花瓣形，Pt、Ru和Cu三种元素都以合金的形式存在，Pt和Ru原子分布在活性位点处。所制得的花瓣形PtRu/Cu催化剂在甲醇氧化反应中的质量活性至少是商业Pt/C的3.1倍。制备方法简单，操作容易。优良的甲醇氧化性能使其可广泛应用于甲醇燃料电池催化剂等诸多领域。

技术领域

本发明涉及一种花瓣形Cu掺杂PtRu合金催化剂及其制备方法，属于燃料电池应用领域。

背景技术

目前商用催化剂是贵金属Pt基催化剂，成本较高，而且随着其不断开采消耗，成本很可能会不断攀升。Pt作为燃料电池的关键组成的催化剂层，在工作过程中会逐渐降低活性，损失性能。由于Pt是非常昂贵的金属,所以Pt的载量必须尽量最小化,但也不能以降低燃料电池的性能为代价。因此,其中一个思路是做成Pt合金催化剂，近几年Pt合金催化剂的研究层出不穷，选择的合金种类也是多种多样，例如：Pd、Cu、Ni和Ru等，Pt合金催化剂在降低Pt用量的同时，还可以提高其催化性能。由于这些金属原子与Pt有相似的外层电子结构，因此容易与Pt形成合金，Pt合金催化剂还可以提高稳定性，降低了复杂形貌结构的Pt原子的溶解和塌陷问题，对于形貌的合成控制也提供了一种解决途径，尤其是处于活性位点的Pt原子，合金化可以使Pt原子更稳定，延长催化剂的使用年限。

目前普遍采用的制备方法包括：化学沉淀、溶胶凝胶、微乳液法、多元醇法、模板法、相转移法、晶种法和表面活性剂/有机物配位辅助合成等^[1]。其中，晶种法由于可制备出较小尺寸且形状分布均匀的纳米晶体颗粒而得到很多人的关注，其应用潜能也在持续开发中。这种方法可以最大程度的使Pt原子处于催化活性位点，结构容易控制，从而增强催化性能。

PtRu合金催化剂是迄今为止研究最深入、应用最广泛的直接甲醇燃料电池阳极催化剂^[2]，由于PtRu合金催化剂自身原子的排列和相应电子所表现出来的特性使催化剂的抗CO中毒能力优异，但是Ru属于稀有金属元素，是铂系元素中在地壳中含量最少的一个，也是铂系元素中最后被发现的一个元素，在工业生产和实际应用中存在诸多限制，催化剂的应用成本高，工作中也会有较严重的催化剂被腐蚀现象。如今很多研究围绕PtRu合金二元体系^[3]或者其它金属掺杂的PtRu三元合金体系^[4]展开，但是研究的深度和应用还很欠缺。

[1]Wang Y J,Zhao N,Fang B,et al.Carbon-supported Pt-based alloyelectrocatalysts for the oxygen reduction reaction in polymer electrolytemembrane fuel cells:particle size,shape,and composition manipulation andtheir impact to activity[J].Chemical reviews,2015,115(9):3433-3467.

[2]Liu Z,Ling X Y,Su X,et al.Carbon-supported Pt and PtRunanoparticles as catalysts for a direct methanol fuel cell[J].The Journal ofPhysical Chemistry B,2004,108(24):8234-8240.

[3]A V,K D,Grgur B N,et al.Methanol electrooxidationon supported Pt and PtRu catalysts in acid and alkaline solutions[J].Electrochimica Acta,2002,47(22):3707-3714.