[发明专利]一种合成颗粒小且有序的催化剂的碳载体制备方法

说明书

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体公开了一种用于合成颗粒小且有序的催化剂的碳载体制备方法，将碳载体分散到硝酸溶液中搅拌均匀、将所得碳载体硝酸溶液进行抽滤干燥处理；将所得碳载体进行研磨，再加入巯基乙酸钠加水浸渍，超声分散后搅拌均匀；将所得溶液干燥、研磨处理后在惰性气氛中进行退火得到制备催化剂用的碳载体。本发明制备的碳载体在这上面负载金属催化剂金属含量可达到30％‑50％，催化性能优异；制备方法简单，适合量产金属催化剂。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种合成颗粒小且有序的催化剂的碳载体制备方法。

背景技术

燃料电池是一种可以将存储在氧气和燃料中的化学能直接以电化学反应方式转换为电能的装置，其具有较高的能量密度、较高的能量转换效率以及环境友好等特点，因而，作为新一代清洁能源技术，而备受关注。但是燃料电池的产业化进程仍然存在较多阻碍，其中最大的一个阻碍就是其阴极缓慢的氧还原反应，相比与阳极的燃料氧化反应，其动力学速率慢了将近2到3个数量级，这就使得其需要大量的高效的催化剂，来降低其过电势，提高整个燃料电池的输出电压。

催化剂作为燃料电池电堆的核心材料，其综合性能直接关系到燃料电池技术的核心竞争力及其产业化前景。由于Pt具有良好的分子吸附、离解特性，因此碳负载的铂基催化剂被认为是目前燃料电池及金属-空气电池的主流阴极催化剂。考虑到燃料电池与金属-空气电池中存在的气体、水以及电子等传输现象，催化剂的金属含量越高，其膜电极越薄，传输距离更短，有利于电池性能提升。但是常规的催化制备过程，随着金属含量的上升，往往会伴随着催化剂的团聚、烧结等问题，严重影响催化剂的ORR(氧还原反应)表现，这也阻碍了燃料电池和金属-空气电池技术的发展。同时燃料电池工况条件复杂，对于催化剂的稳定性也是严峻的考验。而催化剂的制备过程中，载体与金属颗粒之间的相互作用，有利于调整界面黏附能从而到达抗烧结的目的，且制备过程中需要高温，从而促进合金化，获得热力学驱动力合成高度有序的金属间催化剂，比如PtCo/C，尽管有序金属间化合物Pt-M合金催化剂具有良好的催化性能，但合成理想的金属间化合物催化剂仍然是一个挑战。原子排列中的无序相变需要克服慢动力学一般的方法是在较长的保温时间下进行高温退火处理，例如，在700℃下进行6小时或更长时间，因此，在保证高载量的同时还得保证有序且不易烧结一直是研究热点。目前，常见的方法有：采用MgO外壳来保护PtCo纳米颗粒，以防止在高温过程中颗粒团聚；使用KCl保护基质抑制Pt₃Fe颗粒的运动；利用SiO₂涂层制备了平均直径为2.6nm的有序PtFeIr金属间化合物纳米线。最新的策略是梁海伟通过加强催化剂-载体相互作用，锚定小颗粒，抑制颗粒直接接触，调节Pt-S催化剂-载体相互作用防止了退火过程中的颗粒迁移，然而无论是空间隔离还是金属-载体相互作用的调节，都难以避免高退火温度和/或长保温时间，因此不可避免颗粒长大，催化剂活性下降，且后续处理工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种合成颗粒小且有序的催化剂的碳载体制备方法，通过直接从碳载体入手解决高退火温度和/或长保温时间，且后续处理工艺复杂的问题。

为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种合成颗粒小且有序的催化剂的碳载体制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将碳载体分散到硝酸溶液中搅拌均匀；

(2)将步骤(1)所得碳载体硝酸溶液进行抽滤干燥处理；

(3)将步骤(2)所得碳载体进行研磨，再加入一定量的巯基乙酸钠加水(加入量刚好没过催化剂即可)浸渍，超声分散后搅拌均匀；

(4)将步骤(3)所得溶液干燥、研磨处理后在惰性气氛中进行退火得到制备催化剂用的碳载体。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中搅拌时间为3-7h，转速为300-500r/min。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中碳载体为碳黑。