[发明专利]一种有序化Pt-Au/C复合催化剂及其制备方法和在燃料电池中的应用

说明书

本发明公开了一种有序化Pt‑Au/C复合催化剂及其制备方法和在燃料电池中的应用。将金源溶液和还原剂溶液混合进行还原反应，得到纳米金簇水溶液；将活化纳米碳载体材料及铂源溶液加入纳米金簇水溶液中搅拌混匀，所得混合液采用液氮进行急冻处理后，进行冷冻干燥，得到蓬松状前驱体；将蓬松状前驱体进行热还原及高温有序化处理，即得有序化Pt‑Au/C复合催化剂；该复合催化剂的铂含量较低，合金化程度高，具有高度有序化，用于燃料电池催化剂具有高氧还原催化活性和稳定性，催化活性优于商业20％Pt催化剂。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于其具有高能量密度，高效率和零排放的优点而被认为是交通工具和可移动电子设备应用中最有前景的能源之一。目前，负载在多孔碳颗粒上的Pt基纳米颗粒是现有用于商用的PEMFCs中的主要氧还原(ORR)电催化剂。由于铂的稀缺性，降低贵金属催化剂中Pt的用量且不影响性能是研究的主题。具有较大储量和较低成本的贵金属(Ag，Au和Pd)由于其极高的化学惰性而具有突出的电化学自稳定性，用其来形成Pt基合金催化剂可以提高催化剂的活性和稳定性。此外，用金属掺杂Pt并形成的有序合金催化剂可以大大削弱催化剂表面对中间体的吸附，从而提高ORR的催化活性(“Morphology and Activity Tuning of Cu₃Pt/C Ordered IntermetallicNanoparticles by Selective Electrochemical Dealloying”，Deli Wang，Yingchao，etal.Nano Letters，2015)。

发明内容

针对现有技术中燃料电池催化剂铂含量高，且在燃料电池苛刻的运行环境中易发生奥斯瓦尔德熟化等问题，影响使用寿命。本发明的第一个目的是在于提供一种铂含量较低，合金化程度高，且具有高度有序化的Pt-Au/C复合催化剂，其具有高氧还原催化活性和稳定性，催化活性优于商业20％Pt催化剂。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、低成本的Pt-Au/C复合催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种有序化的Pt-Au/C复合催化剂的应用，其催化活性高于现有的商业20％Pt催化剂。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种有序化Pt-Au/C复合催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将纳米碳载体材料采用双氧水和硝酸溶液进行活化处理，得到活化纳米碳载体材料；

2)将金源溶液和还原剂溶液混合进行还原反应，得到纳米金簇水溶液；

3)将活化纳米碳载体材料及铂源溶液加入纳米金簇水溶液中搅拌混匀，所得混合液采用液氮进行急冻处理后，进行冷冻干燥，得到蓬松状前驱体；

4)将蓬松状前驱体进行热还原及高温有序化处理，即得有序化Pt-Au/C复合催化剂。

作为一个优选的方案，纳米碳载体材料超声分散至H₂O₂/HNO₃的混合溶液中，浸泡6～12h；所述H₂O₂/HNO₃的混合溶液中H₂O₂与HNO₃摩尔比为1:1～5。纳米碳载体材料采用工业双氧水(30％)和工业浓硝酸的混合溶液进行活化处理，活化完成后采用去离子水离心洗涤至中性，冷冻干燥备用。通过对纳米载体材料的活化处理，不但能够为Pt-Au催化活性材料提供更多的附着位点，而且可以利用氧化产生的极性基团来吸附金源和铂源离子，从而实现Pt-Au催化活性材料在碳材料上的原位生成，有利于提高负载稳定性。

作为一个优选的方案，所述金源溶液的浓度为0.05～1M。所述金源溶液包含氯金酸和/或氯金酸盐。