[发明专利]一种活性炭限域的贵金属催化剂及其制备方法以及应用

说明书

本发明提供了一种活性炭限域的贵金属催化剂的制备方法。本发明利用有机小分子配体所具有的双亲性和对贵金属以及合金离子的络合作用，使含有金属盐以及配体的团簇容易被导电炭黑进行吸附。被导电炭黑孔洞吸附的金属盐团簇形成限域空间，在煅烧过程中形成小颗粒而无法进一步团聚，从而可以合成2～5nm的贵金属及其金属间纳米颗粒。该限域空间进一步增进反应底物的局域浓度从而获得较高的燃料电池氧还原的催化活性。并且限域空间的形成和高温煅烧的实验合成手段大幅提升了催化剂的稳定性。此外，本发明的工艺路线简单，合成设备简单，成本低廉，适用于大规模的工业化生产。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种活性炭限域的贵金属催化剂及其制备方法以及应用。

背景技术

近年来，随着化石能源的快速消耗及其引发的日益严重的环境污染问题促使人们探索和研究新的绿色能源及其转化体系，以期获得人与自然和谐共处以及社会的可持续性发展。因而，各种新型的电化学能源得到了广泛的重视和发展，尤其是燃料电池、金属空气电池等新一代绿色能源等等。在这些新能源电池中，贵金属催化剂扮演着不可取代的角色。因此如何减少贵金属催化剂的成本，增加其活性以及稳定性成为新能源研究中的重点领域。

因此发展一种高性能、低贵金属载量、高稳定性的贵金属催化剂应用于电化学能源存储以及转化领域，尤其是燃料电池等新一代绿色能源转化器件中变得十分重要。

例如使用贵金属如Pt纳米框架结构能够大幅增加Pt的质量活性，增加催化剂的活性面积。并且使用基于贵金属的合金如PtxFe，PtxCo，PtxNi也能大幅降低催化剂中贵金属的用量，更利于大规模的工业生产。

然而到目前为止贵金属催化剂的催化性能与稳定性仍然不满足工业生产的需求。这主要是因为较难合成形貌均一尺寸小于5nm的金属间化合物，合成(需要高于700度煅烧)和催化过程中催化剂容易发生团聚失活，贵金属催化剂与碳材料结合不紧密导致脱落等诸多因素，从而极大增加了工业生产的难度和成本。

此外，在目前公开的不多的贵金属燃料电池催化剂中，为了提高贵金属催化剂的催化效率，人们往往选择合成具有特定形貌的贵金属纳米材料，忽略催化剂与载体之间的关联，从而组装成电池后由于气固液三相界面的存在，导致实际提升的活性与稳定性均不理想。

因此，研究和制备一种活性炭限域贵金属及其合金催化剂具有十分重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种活性炭限域的贵金属催化剂及其制备方法以及应用，本发明提供的活性炭限域的贵金属催化剂具有较好的燃料电池氧还原反应的催化性能与稳定性以及应用。

本发明提供了一种活性炭限域的贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A)将贵金属盐、有机小分子配体、活性炭黑和有机溶剂分散混合，得到黑色胶体；

B)将所述黑色胶体进行加热干燥，得到前驱体；

C)将所述前驱体进行煅烧，得到贵金属催化剂。

优选的，步骤A)进行分散混合时，还包括非贵金属盐，所述非贵金属盐包括铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐中的一种或多种，所述非贵金属盐与所述贵金属的摩尔比为(0～3)：1。

优选的，所述贵金属盐选自铂盐、钯盐、钌盐、铱盐、铑盐、金盐和银盐中的一种或多种；

所述活性炭黑包括导电炭黑、中间相碳微球、乙炔黑、活性炭、纳米管、碳纳米线、碳纤维、导电石墨和Super P中的一种或多种；

所述有机小分子配体包括二氰二胺、四丁基碘化铵和邻菲罗啉中的一种或多种；

所述有机溶剂包括醇类溶剂、丙酮、环己烷和正戊烷中的一种或多种。