[发明专利]一种三维载体、催化剂及其制备方法

说明书

本发明特别涉及一种三维载体、催化剂及其制备方法，属于燃料电池技术领域，通过将碳纳米管功能化处理，增强了其与氧化石墨烯的相互作用，进一步通过水热反应，促进了碳纳米管与石墨烯三维复合载体的构筑，形成了快速传质通道，提高了催化反应速率；通过引入碳纳米管，有效地避免了石墨烯片层之间的堆叠，协同发挥了石墨烯和碳纳米管大比表面积、高稳定性、强金属‑载体相互作用的优势，增大了金属颗粒的分散位点，提高了金属颗粒的稳定性；阳离子官能团的引入，将被载金属均匀地原位分散在载体表面，减小了金属粒径尺寸，提高了有效反应活性面积。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种三维载体、催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有功率密度高、能量效率高启动速度快和环境污染小等优点，是一种理想的清洁能源，在固定电站和交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而，由于燃料电池阴极氧还原反应的动力学速率慢，需要使用大量的Pt催化剂，其高价格和资源稀缺性严重制约了燃料电池的推广应用，因而迫切需要开发一种高效的电化学催化剂以减少Pt的用量。

将Pt与非贵金属形成合金催化剂，通过非贵金属元素调控Pt的电子、几何构型以及d带中心位置，使含氧物种在催化剂表面的结合能降低，能够有效提高Pt的ORR催化活性。作为非贵金属的一种，Cu在价格上和储量上都极具优势，能够满足市场化需求。另外，由于Cu与Pt的电负性相差较小，可采用简单、可控的液相还原法制备Pt-Cu合金催化剂。研究表明，Cu与Pt形成键合作用可以大幅提高Pt的ORR性能，如Coleman等制备的PtCu/C催化剂的ORR活性相较市售Pt/C催化剂(Johnson Matthey)提高了2-3倍，其催化活性的提升主要源于含氧物种OHad在催化表面吸附能的降低。

除了可通过调变组分来提高Pt的催化活性外，对催化剂的结构和形貌进行可控设计也是一条行之有效的路径。研究发现，Pt合金催化剂的(111)晶面具有优异的ORR催化活性，且远高于(110)和(100)晶面。因此，设计合成(111)晶面包覆的Pt合金八面体引起了人们极大的研究兴趣。

现有技术中，中国发明专利申请CN108258258A一种富Cu八面体PtCu纳米催化剂的合成方法，其通过溶剂热法得到无担载的富Cu八面体PtCu纳米晶体。中国发明专利申请CN111293322B一种燃料电池用碳载八面体形貌铂铜钼三元合金催化剂及其制备方法，首先通过溶剂热法得到铂铜钼金属颗粒，然后将碳粉加入到铂铜钼金属颗粒的乙醇浆液中，得到碳载八面体形貌铂铜钼三元合金催化剂。现有技术中，在PtCu/PtCuMo八面体合成过程中或无载体的加入，导致晶核形成无锚定位点，合金粒径较大，反应活性位点数减少；或加入的碳载体为XC-72炭黑，在燃料电池的工作环境中易发生腐蚀，从而导致金属颗粒的团聚和催化剂的活性降低；且无过渡金属刻蚀处理，催化剂中过渡金属的溶解会造成催化剂活性的衰减和膜的降解，影响质子交换膜燃料电池的耐久性。

发明内容

本申请旨在至少能够在一定程度上解决目前采用碳黑载体导致活性低的问题，为此，本申请提供了一种三维载体、催化剂及其制备方法。

申请人在发明过程中发现：现有技术一种富Cu八面体PtCu纳米催化剂的合成方法中反应体系中无载体的加入，导致晶核形成无锚定位点，合金粒径较大，反应活性位点数减少，且在燃料电池电极制备过程中，金属颗粒易堆叠，造成催化剂活性降低；无过渡金属刻蚀处理，催化剂中过渡金属的溶解会造成催化剂活性的衰减和膜的降解，影响质子交换膜燃料电池的耐久性。一种燃料电池用碳载八面体形貌铂铜钼三元合金催化剂及其制备方法中，担载PtCuMo八面体的载体为XC-72炭黑，在燃料电池的工作环境中易发生腐蚀，从而导致金属颗粒的团聚和催化剂的活性降低；无过渡金属刻蚀处理，催化剂中过渡金属的溶解会造成催化剂活性的衰减和膜的降解，影响质子交换膜燃料电池的耐久性。