一种燃料电池铂合金催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法，将乙酰丙酮铂(II)、水合乙酰丙酮锌和聚乙烯吡咯烷酮加入苯甲醇和乙醛的混合溶液中，加热到160

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池铂合金催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于无机纳米材料化学及电化学
，具体涉及一种新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法及其在提高质子交换膜燃料电池性能方面的应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种极具吸引力并可以替代华能能源燃烧的高效替代品（J. Tollefson, Nature 2010, 464, 1262.）。然而，阴极氧还原反应（ORR）缓慢的动力学和铂（Pt）基材料作为最活跃和稳定的ORR催化剂，成为严重阻碍了其商业化的原因（S. Guo, S. Zhang, S. Sun, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8526.）。但铂的地球储量低且成本高，导致其无法实现广泛应用。目前已开发了铂基金属
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过渡金属（Pt
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M），特别是与3d过渡金属（Fe、Ni、Co、Cu等）结合的催化剂（Y. Yoo, J. M. Yoo, et al, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14190.），通过添加过渡金属增加Pt的活性同时降低Pt的负载量。这些合金化的过渡金属在质子交换膜燃料电池的实际运行过程中不可避免地会溶解，从而导致金属离子与反应过程中产生的H2O2结合，此过程中发生芬顿反应会降解质子交换膜，产生侵蚀性的
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OH自由基。此外，由此产生的金属离子会降低质子交换膜的电导率（A. D. Bokare, W. Choi, J. Hazard. Mater. 2014, 275, 121.）。在这些过渡金属元素中，Zn具有更好的抗氧化性能，可有效抑制芬顿反应，从而提高Pt基催化剂的稳定性。
[0003]最近，相当多的工作集中在调整结构、成分和形态上（N. Becknell, Y. Son, D. Kim, et al, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11678.）。众所周知，催化反应通常发生在催化剂表面，因此表面结构在决定性能方面起着至关重要的作用（C. Xiao, B.
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A. Lu, et al, Joule 2020, 4, 2562.）氧还原反应是表面结构敏感的反应，而台阶表面比低指数平面更活跃（N.
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F. Yu, N. Tian, et al, ACS Catal. 2019, 9, 3144.）。因此，提高催化活性的另一个重要策略是定制具有高指数刻面的金属纳米晶体。位于高指数纳米晶体台阶、平台和扭结处的原子可以作为催化活性中心（N. Tian, Z. Y. Zhou, S. G. Sun, Y. Ding, Z. L. Wang, Science 2007, 316, 732.），有利于提高催化活性。（L. Huang, M. Liu, et al, Science 2019, 365, 1159.）。然而，到目前为止，对于高效的铂
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锌基ORR催化剂，尚未有采用超薄铂表面和高指数多面协同的明确设计。因此，本申请针对高ORR性能选择了铂皮肤和高指数晶面结构的组合策略，开发了高活性和廉价的铂
‑
锌基催化剂，同时也为铂合金催化剂提供了新的设计方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于克服现有技术缺陷，提供了一种新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法，通过凹面Pt
‑
Zn纳米立方体具有的高指数铂晶面，可以降低OH
＊
/O
＊
在铂表面的吸附能，提高了酸性ORR活性和稳定性。
[0005]本专利技术还提供了上述一种新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法及其在提高质子交换膜燃料电池性能方面的应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法，其将乙酰丙酮铂(II)、水合乙酰丙酮锌和聚乙烯吡咯烷酮均匀分散到苯甲醇和乙醛的混合溶液中，加热到160
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200℃并保温8
‑
10h，冷却到室温，离心、洗涤，干燥获得Pt
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Zn纳米晶，将Pt
‑
Zn纳米晶负载在科琴黑上，即得。
[0007]具体的，乙酰丙酮铂(II)、水合乙酰丙酮锌、聚乙烯吡咯烷酮的质量比可以为1：1.2
‑
1.3：13
‑
18，优选1：1.25：15。进一步的，苯甲醇和乙醛的体积比为1：1。比例若有显著变化，则会影响材料产品的内部结构和性能。每16mg的乙酰丙酮铂(II)添加20mg水合乙酰丙酮锌、240mg聚乙烯吡咯烷酮。同比例扩大量后，性能没有显著变化。
[0008]进一步的，上述新型燃料电池低铂合金催化剂的制备方法，具体经下述步骤制备获得：1）将苯甲醇和乙醛混合均匀，形成一号混合液；一般在室温条件下磁力搅拌30 min即可，搅拌时间过短不能使苯甲醇分散均匀，搅拌达到一定时间后，不能继续提高苯甲醇的均匀分散度；2）将乙酰丙酮铂(II)、水合乙酰丙酮锌和聚乙烯吡咯烷酮加入一号混合液中，混匀，形成二号混合液；一般剧烈搅拌（1000 r min
‑1，1h）以混合均匀；搅拌时间过短、力度过小不能使乙酰丙酮铂(II)和水合乙酰丙酮锌充分混合；3）将二号混合液转移到聚四氟乙烯衬里的高压反应釜中；将反应釜密封并加热至180℃，并在此温度下保持8h，然后自然冷却至室温，得到三号混合液；4）将三号混合液离心，再用环己烷和乙醇的混合溶液洗涤，收集得到的产物；5）将所得产物用冰乙酸酸洗，离心收集，乙醇洗涤数次，60℃干燥过夜，得到Pt
‑
Zn纳米晶；将Pt
‑
Zn纳米晶负载在科琴黑上，即得。其为凹面Pt
‑
Zn纳米立方体，具有的高指数铂晶面可以降低OH
＊
/O
＊
在Pt表面的吸附能；并且，抗氧化金属锌与富铂表面工程之间有良好的协同作用，具有1.18 mA μgPt
‑1的质量活性，在0.9 V（相对于RHE）下有3.89 mA cm
‑2的比活性。由该催化剂组装的H2‑
O2燃料电池具有超高的峰值功率密度1449 mW cm
‑2，性能优于商业Pt/C。
[0009]具体的，步骤1）中，苯甲醇和乙醛的体积比为1：0.5
‑
2。
[0010]具体的，步骤3）中，在30min内从室温加热至180℃。
[0011]具体的，步骤4）中，环己烷和乙醇的体积比为0.5
‑
2：1。离心转速优选为11000 rpm，离心时间优选为10 min。Pt
‑
Zn纳米晶负载在科琴黑上，具体可以是：将铂锌纳米晶和科琴黑与去离子水混合均匀，转移到高压反应釜中，密封反应釜，于180
‑
200℃保持8
‑
10h，然后自然冷却到室温，经过离心收集、干燥，即得。
[0012]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池铂合金催化剂的制备方法，其特征在于，将乙酰丙酮铂、水合乙酰丙酮锌和聚乙烯吡咯烷酮均匀分散到苯甲醇和乙醛的混合溶液中，加热到160
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200℃并保温8
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10h，冷却到室温，离心、洗涤，干燥获得Pt
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Zn纳米晶，将Pt
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Zn纳米晶负载在科琴黑上，即得。2.如权利要求1所述燃料电池铂合金催化剂的制备方法，其特征在于，乙酰丙酮铂、水合乙酰丙酮锌、聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：1.2
‑
1.3：13
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18。3.如权利要求2所述燃料电池铂合金催化剂的制备方法，其特征在于，经下述步骤制备获得：1）将苯甲醇和乙醛混合均匀，形成一号混合液；2）将乙酰丙酮铂、水合乙酰丙酮锌和聚乙烯吡咯烷酮加入一号混合液中，混匀，形成二号混合液；3）将二号混合液转移到反应釜中；将反应釜密封并加热至180℃，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳楠，杜宇，魏一帆，卢帮安，杨鸽鸽，刘梦丽，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：