[发明专利]一种Pt单原子催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Pt单原子催化剂的制备方法和应用，属于燃料电池技术领域。本发明将铂原子通过氧原子接枝在炭基底上，用铂原子代替传统铂纳米粒子用做燃料电池的阴/阳极催化剂，本发明的Pt1/C是第一例长在炭基底上用氧固定的铂单原子催化剂。将所述的铂单原子催化剂应用在质子膜燃料电池中有活化过程，并且有稳定阶段。本发明用铂原子代替铂纳米颗粒，极大降低催化剂中铂金用量，从而降低燃料电池成本。本发明提供的Pt1/C催化剂在质子膜燃料电池中展现出可观的稳定性和活性，因而具有切实替代昂贵Pt/C催化剂的可能性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种新型催化剂，具体地说，是指一种Pt单原子催化剂及其在质子膜燃料电池中的应用。

背景技术

现有商用质子膜燃料电池所用催化剂为碳黑负载铂金纳米颗粒(Pt/C)。【HubertA.Gasteiger*,Shyam S.Kocha,Bhaskar Sompalli,Frederick T.Wagner，AppliedCatalysis B:Environmental 56(2005)9–35】这种催化剂的铂金用量占电池成本约40％左右。在Pt/C催化剂里，起到催化剂作用的铂只是颗粒表面的铂原子，而颗粒内的铂原子只起到支撑作用，对贵金属造成极大浪费。并且随着燃料电池大规模应用，铂金这种稀缺资源的原料成本会急剧上升，导致燃料电池汽车不能大规模应用。极大降低铂金用量是燃料电池发展的最重要方向。目前传统认识铂纳米粒子的粒径不能过于小，不然会导致催化效果不佳。尤其是小到原子尺度，铂原子过去被简单得认为是不能催化4电子氧还原过程，主要以2电子氧还原过程为主，也即不能将氧气还原成水，只能还原成双氧水，因而被认为不合适作为燃料电池氧还原催化剂，【Yang,S.,Kim,J.,Tak,Y.J.,Soon,A.&Lee,H.Single-atomcatalyst of platinum supported on titanium nitride for selectiveelectrochemical reactions.Angew.Chem.Int.Ed.55,2058–2062(2016)】。2017年发表在nature communications上Pt1-N/C催化剂也是一类单原子催化剂，其活性中心是铂原子与多个氮原子的配位键，对应的燃料电池稳定性较差，从测试一开始电池性能即开始逐渐衰减，类似于非贵金属催化剂的快速衰减。【Liu,J.et al.High performance platinumsingle atom electrocatalyst for oxygen reduction reaction.Nat.Commun.(2017)8,15938.】而传统铂纳米粒子催化剂(Pt/C)在电池中往往先有个活化过程，在此过程，恒压下电流逐渐上升，直至稳定。因而这类Pt1-N/C被定义为类非贵金属催化剂。由于较差的稳定性，目前不具备应用价值。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种廉价的Pt单原子催化剂，用于质子膜燃料电池。本发明将铂原子通过氧原子接枝在炭基底上，用铂原子代替传统铂纳米粒子用做燃料电池的阴/阳极催化剂，这种Pt1/C催化剂在电池中有一个活化过程和稳定阶段，类似于传统纳米颗粒Pt/C催化剂，不同于已报到的Pt1-N/C催化剂。本发明的Pt1/C是第一例长在炭基底上用氧固定的铂单原子催化剂。将所述的铂单原子催化剂应用在质子膜燃料电池中有活化过程，并且有稳定阶段。

本发明首先提供一种Pt单原子催化剂的制备方法，具体步骤如下：

第一步，纳米炭颗粒的氧化：炭黑(科琴黑)在40～80℃硝酸溶液中搅拌1～3小时，得到氧化炭黑经抽滤洗涤、烘干、重新分散在去离子水中形成氧化炭黑水溶液。

第二步，铂氯酸稀溶液滴加到氧化炭黑水溶液中，室温搅拌1～3小时，让铂离子吸附在氧官能团上；然后加热溶解到70℃，搅拌8小时让铂离子还原成原子，仍然吸附在炭黑上；