[发明专利]一种纳米铂催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米铂催化剂的制备方法。该方法包括如下步骤：(1)将无机纳米线、无机配合物纳米线或纳米碳在表面活性剂作用下分散在水或无水乙醇中，作为模板；(2)将金属铂盐溶解于水中；(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的两种溶液混合，然后倒入无水的醇溶液中，搅拌均匀，将所得混合溶液升温至设定温度，反应完全后冷却至室温，用水清洗，干燥后得到产物。本发明在无需添加其它还原剂的情况下，通过纳米线或纳米颗粒为模板，利用金属铂盐在醇、水中溶解度的不同，在一定温度下，使金属铂盐在纳米线或纳米颗粒表面限域还原为金属铂，形成分散均匀、尺寸分布窄的铂纳米线或铂纳米颗粒，产物清洗简单。

技术领域

本发明涉及一种纳米铂催化剂的制备方法，属于燃料电池纳米电催化剂制备技术领域。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，其核心是采用催化剂催化氧还原与氢氧化或醇氧化、甲酸氧化等。

燃料电池正面临商业化的起步阶段，影响燃料电池商业化的一个重要问题是所用催化剂为贵金属铂，这极大地增加了燃料电池的成本，同时，由于铂的稀缺性，使燃料电池的大规模应用受到限制。已有研究表明，在燃料电池的应用中，Pt/C催化剂中2-3纳米铂颗粒易于在电化学的反应过程中因为电位的变化氧化为离子，又还原为金属，这使得铂重新沉积从而使铂颗粒长大，或者从碳载体上脱落，这些均会降低催化剂的使用寿命，同时碳载体也会被腐蚀(Z.Zhao et al.J.Power Sources，230，2013，236-243；J.C.Meier，ACSCatal.，2，2012，832-843；Z.Zhao，J.Power Sources，217，2012，449-458；K.L.Morea，ECSTransactions，3(1)，2006，717-733)。针对这些问题，大量的研究集中在如何提高催化剂铂的利用率，降低催化剂铂的用量以及提高催化剂的稳定性和使用寿命，不同形貌的Pt及PtM合金催化剂是其中重要的方面。美国能源部确定的2015年汽车用质子交换膜燃料电池的铂用量目标值为0.15mg/cm²。孙世刚研究小组通过电压方波电沉积的方法，获得了高晶面指数{730}、{210}和/或{520}的铂24面体，这些具有高晶面指数的24面体具有很好的热(800℃)和化学稳定性，其对甲酸氧化活性最高提高约4倍，对乙醇氧化的活性最高提高约4.5倍(N.Tian，Z.Y Zhou，S.G.Sun，etc.Science，316，2007，732-735)。美国Argonne实验室2014年报道的Pt₃Ni纳米框架结构催化剂，RDE测试结果表明其质量比活性及面积比活性分别是商用Pt/C催化剂的22倍及35倍(C.Chen，Y.J.Kang，et al.Science 343，2014，1339-1343)。由Pt₃Ni纳米框架结构催化剂制备的膜电极的性能虽然优于Pt/C催化剂，然而在膜电极中，其质量比活性及面积比活性并没有达到商用Pt/C催化剂的22倍及35倍。3M公司纳米结构薄膜(nanostructured thin film，NSTF)催化剂是一类特殊的催化剂，为有序排列的纳米线Pt或PtM(M主要为Fe、Co、Ni，或CoMn、CoNi、NiFe、CoZr等)，其PtCoMn-NSTF已达到美国能源部2015年铂载量及寿命要求，催化剂铂用量降至0.15mg/cm²，0.19g/kW(DOE Hydrogen andFuel Cells Program Record-Platinum Group Metal Loading in PEMFC Stack-Record#11013.2/6/2011)。

另一方面，纳米催化剂的批量制备技术也是制约其应用和发展的重要因素。3M公司采用方法为在有序化的有机纳米线上沉积金属颗粒，从而形成有序化的Pt、Pt合金纳米线。University of Rochester采用静电纺丝的方法制备Pt和Pt合金纳米线，其Pt纳米线的直径大约是5-6纳米，PtFe、PtNi合金纳米线直径大约10-20纳米。

发明内容

本发明的目的在于提出一种纳米铂催化剂的制备方法，以获得分散均匀、尺寸分布窄的铂纳米线或纳米颗粒。