[发明专利]一种负载型贵金属催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种负载型贵金属催化剂及其制备方法与应用，属于燃料电池技术领域。将贵金属盐、二羧酸和碳载体均匀分散在溶剂中，得到混合溶液；所述贵金属盐与二羧酸在该混合溶液中发生配位作用；然后加热使所述混合溶液中的溶剂蒸干，得到中间体固体粉末；将中间体固体粉末置于真空环境下加热，加热的温度为60℃‑200℃；所述加热的过程中，所述贵金属盐被还原得到贵金属单质，同时所述二羧酸发生热解，即得到负载在碳载体上的负载型贵金属催化剂。本发明所提出的制备工艺具有操作简单、成本低廉、反应条件温和以及可规模化制备等优点，所制备出的负载型贵金属催化剂具有分散性好，良好的电催化氧还原活性和优异的催化稳定性等优点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种负载型贵金属催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池作为一种新型的能量转换装置，其具有能量转换效率高、理论比容量高和环境友好等特点。然而目前存在的主要问题在于阴极缓慢的氧还原反应动力学极大地限制燃料电池的商业化应用。商业Pt/C催化剂作为目前使用最多的催化剂，尽管具备良好的催化活性，但是其稳定性较差，制备方法复杂，需要用到还原性气体，因此极大地制约了其广泛应用。因此通过简便且高效的制备工艺设计出高效的阴极氧还原反应催化剂对于解决目前这一难题具有重要意义。

为了解决目前Pt催化剂面临的稳定差的主要问题，其中一种有效的策略为引入3d过渡金属与Pt形成合金，通过对Pt电子结构进行调控，从而提高催化剂的活性和稳定性。但是这一方法的主要问题在于引入的过渡金属在酸性电解质中极不稳定，极易造成催化剂性能的衰减，且溶出的过渡金属离子易与燃料电池中间产物过氧化氢之间发生芬顿反应，造成对Nafion膜的破坏，从而对其使用寿命产生影响。另外一种有效策略则是在Pt催化剂表面包覆上一定厚度的碳层，不仅可以有效抑制Pt在酸性电解质中的溶解，还能够有效抑制其在使用过程中的团聚等问题。但是目前碳包覆策略往往包括催化剂制备、碳前驱体沉积和后续高温碳化处理三个步骤。其复杂的制备工艺极大地增加了催化剂设计成本，抑制其大规模制备(L.Guo,et al.ACS Catal.,2015,5,2903-2909.)。

发明内容

本发明解决了现有技术中贵金属催化剂制备方法复杂需要用到还原性气体，以及稳定性差的技术问题，本发明提出一种制备工艺简单且高效的负载型贵金属催化剂的可规模化制备方法。将贵金属盐、二羧酸和碳载体均匀分散在溶剂中，蒸干溶剂，得到中间体固体粉末；将中间体固体粉末置于真空环境下加热，即得到负载在碳载体上的负载型贵金属催化剂。该制备方法无需通过传统还原气氛高温热处理，直接在真空低温气氛下即可得到负载型贵金属催化剂，避免了有害气体的使用，具有绿色、环保、造价成本低等特点。所制备的负载型贵金属具有颗粒小、催化活性高和循环稳定性好等优点。

根据本发明的第一方面，提供了一种负载型贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将贵金属盐、二羧酸和碳载体均匀分散在溶剂中，得到混合溶液，所述贵金属盐与二羧酸在该混合溶液中发生配位作用；然后加热使所述混合溶液中的溶剂蒸干，得到中间体固体粉末；

(2)将步骤(1)得到的中间体固体粉末置于真空环境下加热，加热的温度为60℃-200℃；所述加热的过程中，所述贵金属盐被还原得到贵金属单质，同时所述二羧酸发生热解，即得到负载在碳载体上的负载型贵金属催化剂。

优选地，所述贵金属盐为铂盐、钯盐、金盐、钌盐或铑盐。

优选地，所述铂盐为氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾或氯亚铂酸；所述钯盐为氯化钯、氯钯酸钠或氯钯酸钾；所述金盐为氯金酸、氯金酸钠或氯金酸钾；所述钌盐为氯化钌、氯钌酸、氯钌酸钠或氯钌酸钾；所述铑盐为氯化铑、氯铑酸、氯铑酸钠或氯铑酸钾。

优选地，所述二羧酸为草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸和苹果酸中的至少一种；

所述碳载体为碳黑、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和碳量子点中的至少一种。