[发明专利]燃料电池用高性能碳载型PtPb纳米片催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于新能源领域，涉及一种燃料电池用高性能PtPb纳米片催化剂及其制备方法。该催化剂具有六角晶系的颗粒形貌，在制备过程中加入的含PtPb原料中，Pt的摩尔百分比为5％～70％，其余为Pb；并使用水溶性醇类作为溶剂和还原剂。本发明使用水溶性醇类作为反应溶液，在保持催化剂片状形貌的同时，也实现了催化剂表面的改性，节省了实验步骤；保证了在使用过程中，催化剂具有良好的亲水性、分散性、较高的催化活性分散性和稳定性，且制备方法简单，容易控制。

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及一种燃料电池用高性能PtPb纳米片催化剂及其制备方法。

背景技术

作为公认的最清洁的新能源汽车，氢燃料电池汽车被寄予厚望，各方都在期待其能带领汽车行业真正进入无污染的新能源汽车时代。整个燃料电池界的终极愿景就是用燃料电池替代传统引擎。

在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池最适用于汽车，其催化剂的成本和性能决定了燃料电池技术的发展水平和商业化进程。以质子交换膜燃料电池为例，催化剂的成本占总成本的30－45％。这促使人们合成高效率的铂纳米催化剂以及寻求铂催化剂的替代品的需求显得尤为迫切。从技术层面来看，迟缓的ORR过程使得阴极需要一种活性优良的催化剂以降低活化能。Pt/C催化剂是目前使用最为普遍，同时也最有效的燃料电池催化剂，又但是受Pt资源的稀缺属性限制，降低燃料电池催化剂的Pt使用量，增大Pt利用效率，同时增强Pt催化剂的活性，一直以来是燃料电池技术的研究热点。

一般商用的碳载型铂催化剂的形貌为球形，颗粒度在几个纳米左右，具有较大的表面活性面积，初始催化效果优异，但其催化稳定性较差，经过1千次或更高的循环催化后，由于铂颗粒团聚严重，使得催化效果显著降低。

现有技术中对于PtPb纳米片催化剂进行了许多研究，例如，本申请的申请人于2018年11月30日递交了中国发明专利申请No.201811450579.6，名称为‘燃料电池用高性能碳载型PdPtPb纳米片催化剂及其制备方法’，该申请在制备过程中，采用油性溶胶如1-十八烯和油胺作为溶剂，这样会对催化剂的亲水性产生影响，所以在制备过程中必须使用冰醋酸清洗和加热过程，去除催化剂表面的油性包裹物。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的一个目的是提供一种低成本高性能碳载型PtPb纳米片催化剂，具有良好的亲水性，可降低燃料电池催化剂的Pt使用量，增大Pt利用效率，同时增强Pt催化剂活性。

本发明的另一个目的是提供一种燃料电池用高性能PtPb纳米片催化剂的制备方法，利用形状导向剂制备得到的碳载型二维PtPb纳米片催化剂具有催化性能优异、结构稳定性好的特性。在制备过程中直接使用水溶性的多元醇类作为溶剂，减少了碳载型催化剂的实验步骤，并改善催化剂的亲水性。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种燃料电池用高性能碳载型PtPb纳米片催化剂，所述催化剂具有六角晶系的颗粒形貌，在制备过程中加入的含PtPb原料中，Pt的摩尔百分比为5％～70％，其余为Pb；并使用水溶性醇类作为溶剂和还原剂。

所述催化剂最终产品纳米片的平面尺寸为10nm～50nm，厚度为5±1nm。

制备过程中，采用乙酰丙酮铂或氯铂酸作为反应前驱体，乙酰丙酮铅作为形状导向剂，聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂，水溶性醇类作为反应溶剂和还原剂，XC-72、科琴黑、石墨烯或者有序介孔碳作为碳载体。

所述水溶性醇类选自乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚乙二醇。

在制备过程中，在反应溶液中直接加入碳载体，实现催化剂的碳承载，所述碳载体包括XC-72、科琴黑、石墨烯和有序介孔碳。

所述催化剂应用于燃料电池中的氧还原反应催化、甲醇氧化反应催化、甲酸氧化反应催化。