[发明专利]一种燃料电池用Pt合金电催化剂及共还原制备方法

说明书

本发明属于燃料电池、电化学技术领域，特别涉及一种燃料电池用Pt合金电催化剂及共还原制备方法。本发明通过对合金离子还原机理进行研究，实现了在同一还原剂作用下一步共还原形成合金催化剂；通过对铂前驱体进行预还原，初步缩小铂离子与过渡金属离子之间氧化还原电位的差异；通过筛选合适的络合剂，使贵金属离子、过渡金属离子共同与络合剂进行络合，进一步将两种金属离子之间的氧化还原电位调整到相近水平，最后通过一步共还原反应制得合金催化剂；该方案制得的合金催化剂不需要后续的高温热处理，其粒径较小且分布均匀，在炭载体上的分散较均匀，合金化程度高；应用于氢氧质子交换膜燃料电池的催化过程与现有技术相比，催化剂的反应活性更高。

技术领域

本发明属于燃料电池、电化学技术领域，特别涉及一种燃料电池用Pt合金电催化剂及共还原制备方法。

背景技术

随着全球能源需求的迅速增长以及二氧化碳排放可能引起的气候变化，清洁和可持续能源的发展成为应对以上问题的重要挑战。燃料电池(Fuel Cells，FCs)可以将燃料中的化学能在催化剂的作用下直接转化为电能，是一种高效且产物无污染的可持续新能源装置，其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在车载电源和分布式发电等领域具有与广泛的应用前景。在PEMFCs中，Pt基电催化剂是燃料电池的关键组成部分，占据了整个燃料电池40％以上的成本。由于Pt的资源匮乏、价格昂贵，使得PEMFCs的成本居高不下，限制了其大规模的应用。此外，已实现商业化的Pt/C催化剂在燃料电池的实际应用中依然存在价格昂贵和催化性能不高等问题，从而影响了燃料电池的输出效率。因此开发出具有高性能的PEMFCs用电催化剂以实现燃料电池的商业化进程成为了目前亟待解决的问题。

研究发现，过渡金属Pt合金催化剂具有比纯Pt更好的电催化活性。Pt与过渡金属形成合金之后，第二过渡金属的引入能够改变Pt的d带中心和表面的电子排布，且合金化作用产生的几何效应和电子效应能够优化氧分子的吸附方式和催化剂表面与反应中间体之间的结合强度，从而提高了燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的催化活性。

目前，Pt合金电催化剂的制备方法包括浸渍还原法、有机溶剂热法、反向乳液法、多元醇还原法等，其中有机溶剂热法、反向乳液法和多元醇还原法等通常需要使用到有毒有害的有机溶剂、结构导向剂和表面活性剂等，且往往需要多步骤的反应才能形成合金。浸渍液相还原法通常以水作为金属前驱体溶剂，在水溶性还原剂的作用下形成合金催化剂。

以水为溶剂的浸渍还原法是一种操作简单、环境友好的合成方法，具备工业化生产的可行性。中国专利(CN109331844B)发明了一种以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为络合剂，采用两步法制备了MoS₂微球负载PtCo合金的MoS₂微球/PtCo合金纳米复合材料，具有较低的铂含量和与铂相当的催化活性。中国专利(CN103949272B)发明了一种用于肼硼烷产氢的NiPt@RGO复合纳米催化剂的制备方法，以硼氢化钠(NaBH₄)为还原剂，在水溶液中一步还原Ni、Pt前驱体和氧化石墨烯制备得到，该NiPt@RGO复合材料具有优异的催化活性，但同样Pt的载量较低，NiPt的合金化程度不高。

因此，在络合剂和还原剂匹配的前提下，在水相条件下采用一步法合成粒径较小、合金化程度高且在载体上分散均匀的Pt合金催化剂，是实现燃料电池工业化生产和进一步商业化应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的Pt合金催化剂中，制备方法复杂，合金化程度低，分散不均匀、催化活性较低的不足，提供一种燃料电池用Pt合金电催化剂及共还原制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种Pt合金电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：