[发明专利]铂基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种铂基催化剂及其制备方法和应用，该催化剂含有导电性载体和负载在所述导电性载体上的具有多层结构的金属活性组分层，其中，所述金属活性组分层至少包括两层，该两层各自包括铂和过渡金属，且该两层的外层的过渡金属的电负性比内层的过渡金属的电负性大。本发明的催化剂具有高燃料电池阴极反应催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种铂基催化剂，以及一种铂基催化剂的制备方法和由该方法得到的铂基催化剂及其在燃料电池系统中的应用。

背景技术

铂催化剂是化学、石油和化工反应过程中常用的一类催化剂，主要用于氨氧化、烃类重整、氧化加氢和一氧化碳、氮氧化物脱除等过程。具有催化活性高、用量少、选择性强、可回收、易于再生等优点。特别是碳载体负载的铂基纳米催化剂是目前性能最好的质子交换膜燃料电池电极反应催化剂，但由于铂的地质储量有限，成本较高，成为制约燃料电池商业化发展的主要原因之一。

通过铂与过渡金属形成合金，不仅可以显著降低催化剂中铂的用量，还能够改变铂催化剂的表面电子态，调控反应物种分子和活性中间体在表面的吸附能力，获得更好的电催化性能和抗毒化能力。

由于铂盐与过渡金属盐，特别是非贵金属盐的还原电势相差较大，通常在反应中需要额外加入适当的还原剂和配位试剂降低铂的还原速率。例如丰田自动车株式会社的CN101926034A中报道了芯-核结构的铂合金催化剂，使用1,2-十六烷二醇作为还原剂，油酸和油胺作为配位试剂；中国科学院上海高等研究院的CN105854897A中报道了高载量的铂镍有序金属间化合物，使用谷氨酸钠作为还原剂，二水合柠檬酸钠作为配位试剂；中国科学院大连化学物理研究所的CN109921046A中报道了不同结构形貌的Pt-M合金催化剂，使用六羰基钨作为还原剂，油胺以及十六烷基三甲基溴化铵或双十烷基二甲基溴化铵作为配位试剂。在反应中另添加还原剂和表面活性剂会增加额外的成本，不利于燃料电池电堆的成本控制，同时加入的表面活性剂与催化剂表面存在很强的相互作用，形成了限制反应物扩散到催化剂表面的物理屏障，显著影响催化剂的反应性能(Chem.Mater.2014,26,72-83)，在合成结束后需要额外的步骤将残留的还原剂和表面活性剂除去。因此，发展无表面活性剂的铂基合金催化剂合成极具应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗CO毒化的铂基催化剂的制备方法和应用。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种铂基催化剂，该催化剂含有导电性载体和负载在所述导电性载体上的具有多层结构的金属活性组分层，其中，所述金属活性组分层至少包括两层，该两层各自包括铂和过渡金属，且该两层的外层的过渡金属的电负性比内层的过渡金属的电负性大。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种铂基合金催化剂的制备方法，该方法包括：

(1)将铂的前驱体、内层过渡金属前驱体、导电性载体、小分子配位试剂和多元醇混合加热进行第一接触得到分散液；

(2)将外层过渡金属前驱体与步骤(1)所得分散液混合加热进行第二接触。

根据本发明的第三方面，本发明提供本发明所述的方法制备得到的铂基催化剂。

根据本发明的第四方面，本发明提供本发明所述的催化剂在燃料电池系统中的应用。

本发明前述催化剂组成的催化剂具有高燃料电池阴极反应催化活性和稳定性。

本发明催化剂的制备方法，能够得到单分散性好，组成均一的铂基催化剂。同时，本发明催化剂制备方法简单，对环境影响小，适合大规模生产。本发明催化剂的制备方法无须使用含氮表面活性剂，具有成本低、易于后处理的优势。

附图说明

附图提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。