[发明专利]钯铂镍二十面体合金纳米颗粒的制备及其氧还原催化应用

说明书

本发明公开了一种通过一步法制备的钯铂镍正二十面体合金纳米颗粒及其在燃料电池中作为氧还原催化的应用，其由以碳为主要成分峰催化剂载体及担载于上述催化剂载体的催化剂金属构成。该发明的优势在于：（1）该材料的制备方法简单，不需要额外步骤进行负载支撑材料，不涉及有毒化学药品，环保又节能；（2）该方法制备的正二十面体合金纳米颗粒结构新颖，主要为面心立方体的FCC（111）晶面；（3）此研究中通过一步法制备的钯铂镍三元正二十面体合金纳米颗粒具有高效的电催化性能，其起始电位、半波电位和还原峰电位远高于商业铂碳，极限电流密度也远超商业铂碳，为燃料电池提供了一种新的阴极催化剂材料，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明采用合金纳米材料应用于高效催化氧还原反应，属于催化剂与新能源材料技术领域。具体涉及到质子交换膜燃料电池用合金纳米材料催化剂的制备，以及在燃料电池阴极材料方面的应用。

背景技术

燃料电池是一种新型发电装置，拥有天燃气、煤、石油等传统化石燃料能源不可企及的优势，可实现高效率地将燃料电池中的化学能转化为电能，且能量转化过程基本达到零排放，对解决地球村面临的全球变暖、传统化石燃料开发难度大和生态污染等至关重要，一直是国际上清洁能源领域的研发热点。

因为阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction，缩写为ORR）是燃料电池电催化反应的关键步骤，其常用的催化剂时谈载铂，其中铂储量稀少且价格昂贵，导致质子交换膜燃料电池的成本居高不下，在很大程度上限制了质子交换膜燃料电池的发展。因此，提高铂的利用率，开发价格低廉、高活性的氧还原催化剂是实现燃料电池大规模商业应用的关键。近年来，随着纳米合成技术的发展，多金属纳米催化剂的研究吸引了众多研究者的注意。经对现有相关材料的检索发现，具有{111}暴露晶面的合金纳米粒子具有显著的催化性能。如申请号201710148367.1的专利公开了一种二十面体形Pd@PdFe金属纳米催化剂及其制备和应用；申请号201710223096.1的专利公开了一种通过温和制备的铂钯蠕虫状合金纳米颗粒及其氧还原催化应用。由于二者皆使用了相对较便宜的金属完全或部分代替了贵金属Pt，从而大大降低了催化剂的合成成本。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了二十面体形PdPtNi/C纳米晶体及催化剂制备、应用，采用价格更低廉的Ni和Pd对Pt进行合金化，既可以降低催化剂的合成成本，又能利用金属的晶面晶界效应、特殊的孪晶结构，使其具有特定晶面和孪晶晶界的PdPtNi/C纳米晶体具有较高的催化性能。

本发明提出的二十面体纳米晶体，其平均粒径为20nm的正二十面体，具有孪晶结构，表层暴露面积为{111}晶面。

优选地，其中Pd元素与Pt元素前躯体摩尔比为0.5~1.5， Pt元素与Ni元素前躯体比例为2.5~3.5。

本发明还提出上述二十面体PdPtNi/C纳米晶体峰制备方法，包括如下步骤：常温下，将四氯钯酸钠、二(乙酰丙酮)铂(II)、四水合醋酸镍、聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液和碳粉加入到乙二醇溶液中，通入氩气，搅拌，放入高温油浴锅中进行高温反应，冷却至室温，清洗，干燥得到二十面体PdPtNi/C纳米晶体。

优选地，聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液浓度为30~40%，加入量为150~200μl。

优选地，负载炭黑质量为20~25mg。

优选地，乙二醇加入量为13~18 ml。

优选地，高温反应的温度为185~195℃，高温反应时间为1.5~2.5h。

优选地，清洗的具体操作如下：将冷却至室温后物料进行离心分离，将离心所得产物用去离子水和极性溶剂的混合液进行超声洗涤，重复上述离心分离和超声洗涤步骤3次。

优选地，离心分离的转速为9000~11000转/分钟，离心分离的时间为3~5min。