[发明专利]一种PtM/CNT/C催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种PtM/CNT/C催化剂及其制备方法和应用，该方法是利用化学气相沉积(CVD)技术在纳米炭黑上生长一层碳纳米管，酸洗后得到一种CNT/C复合碳载体，然后将CNT/C作为催化剂载体分散在含有催化剂前驱体的溶液中，再加入还原剂还原金属离子，反应完成后离心洗涤，冷冻干燥，既得。该方法操作简单、条件温和、易于实现大规模生产；制备的催化剂活性高、稳定好。

技术领域

本发明属于新能源材料和电化学技术领域，具体涉及一种PtM/CNT/C催化剂及其制备方法和应用。

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。商业上Pt基燃料电池催化剂载体多见于炭黑，炭黑是无定型碳，存在大量的空键与氧缺陷，容易在表面形成不稳定的氧化态，进而发生催化剂载体腐蚀，另外炭黑表面不利于Pt催化剂的附着，随着燃料电池运行时间增加，催化剂形貌容易坍塌，导致Pt颗粒聚集，同时增加内部阻抗，导致催化剂失效；另外制备过程中，部分沉积于炭黑上的尺寸较小金属颗粒会嵌入载体中，其反应中不能充分与反应气体接触，很少发挥催化作用。

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催化剂因载体腐蚀、坍塌，导致Pt颗粒聚集，同时增加内部阻抗，导致催化剂失效的技术问题，考虑到碳纳米管(CNT)具有良好的导电导热性，以及耐腐蚀性能，是优良的催化剂载体材料，可延长催化剂的使用寿命，因此本发明的目的在于提供一种PtM/CNT/C催化剂及其制备方法和应用。利用本发明方法制得的PtM/CNT/C催化剂具有导电性高、稳定性好的优点，并且还具有高氧还原催化活性，其催化活性优于商业催化剂。

为了实现本发明的上述其中一个目的，本发明采用的技术方案如下：

一种PtM/CNT/C催化剂的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：

1)将过渡金属盐1溶于去离子水中，得到过渡金属盐溶液1；然后将适量纳米炭黑超声分散在所述过渡金属盐溶液1中，浸泡一段时间后离心，真空冷冻干燥，得到吸附有过渡金属离子的纳米炭黑；

2)将步骤1)所得吸附有过渡金属离子的纳米炭黑置入化学气相沉积(CVD)炉中，在一定流速的N₂气氛中升温至200～300℃，并在H₂/N₂的混合气氛中保温还原90～150min，然后在一定流速的N₂气氛中升温至700～1200℃，以碳氢化合物有机气体为碳纳米管(CNT)生长的碳源，并在H₂/碳氢化合物有机气体/N₂的混合气氛中恒温保温10～40min，再在N₂氛围中冷却至室温，最终制得CNT/C复合碳载体；

3)将步骤2)所述CNT/C复合碳载体用稀酸浸泡一段时间后，再用蒸馏水反复洗涤至中性，并真空冷冻干燥，得到纯化CNT/C复合碳载体，备用；

4)将过渡金属盐2溶于去离子水中，得到过渡金属盐溶液2，将还原剂溶于去离子水中，得到还原剂溶液；取适量步骤3)得到的纯化CNT/C复合碳载体分散于去离子水中，按配比依次加入铂源、所述过渡金属盐溶液2和所述还原剂溶液，反应一段时间后，离心洗涤，真空冷冻干燥，即得PtM/CNT/C催化剂。

作为一个优选的方案，步骤1)中所述过渡金属盐1和步骤4)中所述过渡金属盐2可以相同，也可以不同，二者均可以是Fe、Co、Ni的可溶性盐。

较优选地，所述过渡金属盐1和过渡金属盐2包括但不限定于硫酸铁、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、醋酸钴、硝酸钴、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍等各过渡金属的可溶性盐。

作为一个优选的方案，步骤1)中，所述过渡金属盐溶液1的浓度为5～20wt％。