非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法，包括：步骤一，将铂前驱体、过渡金属前驱体、表面活性剂、非金属源及炭载体超声分散于特定溶剂中得到混合物；步骤二，将混合物在油浴中按预定升温速率达到油浴温度，完成反应后冷却至室温再离心洗涤、真空干燥得到第一催化剂；步骤三，用酸溶液对第一催化剂酸处理后离心洗涤、真空干燥得到第二催化剂；步骤四，对第二催化剂在特定气氛、温度下退火处理得到非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂。掺杂非金属元素产生的协同和锚定效应及过渡金属多组分调控提升其作为氢氧燃料电池催化剂的活性/稳定性，使其在现有文献和专利中处于领先水平，且一锅法制备方式适合工业化生产。适合工业化生产。适合工业化生产。

Multi component platinum alloy carbon supported catalyst doped with non-metallic elements and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于催化剂领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池阴极所用催化剂，具体涉及一种非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极发生的是氧还原反应 (ORR)，需要较大的过电位来驱动反应。目前，铂基催化剂仍然是阴极ORR最有效的催化剂，但其昂贵的成本是阻碍PEMFC商业化的重要原因之一。近些年来，二元铂基合金催化剂成为了提升铂基催化剂活性和稳定性的重要手段，但专利技术制备的二元铂基合金依然存在铂载量较高、活性和稳定性较差等问题，因此降低PEMFC铂基催化剂的铂载量，提高活性和稳定性是迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法。
[0004]本专利技术提供了非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，将铂前驱体、过渡金属前驱体、表面活性剂、非金属源以及炭载体超声分散于特定溶剂中，得到混合物；步骤二，将混合物在油浴中按预定升温速率达到预定油浴温度并保持预定时间，完成反应后，冷却至室温，离心洗涤并在预定干燥温度下真空干燥，得到第一催化剂；步骤三，使用酸溶液对第一催化剂在惰性气氛下进行酸处理，随后再次进行离心洗涤并真空干燥，得到第二催化剂；步骤四，对第二催化剂在特定气氛、预定退火温度和退火时间下进行退火处理，得到非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂。
[0005]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中的铂前驱体为六水合氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾以及乙酰丙酮铂中的一种，过渡金属前驱体分别为过渡金属的氯化盐、氯酸盐、硝酸盐、醋酸盐以及乙酰丙酮盐中的至少一种，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、溴化钾、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基硫酸钠以及苯甲酸中的至少一种，非金属源为含氮、或含磷、或含硫的有机盐或无机盐类中的至少一种，特定溶剂为油胺、油酸、1
‑
十八烯、N
‑
N 二甲基甲酰胺、N
‑
N二甲基乙酰胺、乙二醇以及三乙二醇中的至少一种，炭载体为炭黑、碳纳米管、石墨烯以及乙炔黑中的至少一种。
[0006]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中铂前驱体、过渡金属前驱体、表面活性剂以及炭载体的质量比例为(10～12)：
[0007](125～128)：(100～102)：(40～42)。
[0008]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可
以具有这样的特征：其中，步骤一中，质量比例范围取10：125：100：40。
[0009]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，预定升温速率为1
‑
10℃/min，预定油浴温度为100
‑
230℃，预定时间为2
‑
24h。
[0010]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，洗涤混合物所用的溶剂为去离子水、乙醇、丙酮以及环己烷中的至少一种。
[0011]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，预定干燥温度为40
‑
120℃。
[0012]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，酸溶液为高氯酸、硫酸、硝酸以及醋酸中的至少一种，酸溶液的摩尔浓度为0.1
‑
1 mol/L。
[0013]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤四中，退火温度为 180
‑
900℃，退火时间为0.5
‑
10h，退火气氛为O2、Ar、NH3以及10％的H2/Ar混合气中的一种。
[0014]本专利技术提供了一种非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂，其特征在于：采用上述任意一项的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法制备而成。
[0015]在本专利技术提供的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂中，还可以具有这样的特征：其中，非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的纳米粒径为2
‑
8nm。
[0016]专利技术的作用与效果
[0017]本专利技术提供了非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂及其制备方法，纳米颗粒粒径尺寸理想(3.8nm左右)且在碳载体上分散均匀。非金属元素的掺杂产生了协同和锚定效应以及多种过渡金属的组分调控，大大提升了催化剂的活性和稳定性。旋转圆盘电极(RDE) 测试显示此类催化剂(0.9V vs.RHE)的最高质量活性(MA)和本征活性(SA)分别可达4.79A/mg
Pt
和6.23mA/cm2，30000圈电位循环后质量活性损失10％，其活性和稳定性在目前已报道的文献和专利中都可达到先进水平。以0.03mg
Pt cm
‑2的载量将本催化剂应用于 H2‑
Air燃料电池阴极中(阳极为0.05mg
Pt cm
‑2)，峰功率密度可达 480mW cm
‑2。同时，本专利技术可扩展至4、5、6周期的大部分过渡金属，并且一锅法的制备方式适用于工业化生产。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的实施例一中的非金属元素掺杂的多组元铂合金纳米颗粒碳载催化剂以及酸处理退火后催化剂的TEM图像；其中，图1(a)、(b)、(c)为一锅法合成的PtNiCoCuFe/C
‑
N催化剂的低分辨和高分辨透射电镜图像；图1(d)、(e)为PtNiCoCuFe/C
‑
N 催化剂的STEM图像和原子分辨的STEM图像；图1(f)为退火后PtNiCoCuFe/C
‑
N催化剂的原子分辨的STEM图像；
[0019]图2为本专利技术的实施例一中的氮掺杂的多组元PtNiCoCuFe/C
‑
N催化剂的粒径分布统计图；
[0020]图3为本专利技术的实施例一中的制备方法扩展至4、5、6周期其它过渡金属元素合成催化剂的LSV曲线；
[0021]图4为本专利技术的实施例一中的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂PtNiCoCuFe/C
‑
N、实施例二中的未掺杂N的多组元铂合金碳载催化剂PtNiCoCuFe/C和对比例一中的二元铂合金催化剂 PtNi/C以及对比例二中的商业Pt/C催化剂的LSV曲线；
[0022]图5是本专利技术的实施例一中的非金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将铂前驱体、过渡金属前驱体、表面活性剂、非金属源以及炭载体超声分散于特定溶剂中，得到混合物；步骤二，将所述混合物在油浴中按预定升温速率达到预定油浴温度并保持预定时间，完成反应后，冷却至室温，离心洗涤并在预定干燥温度下真空干燥，得到第一催化剂；步骤三，使用酸溶液对所述第一催化剂在惰性气氛下进行酸处理，随后再次进行离心洗涤并真空干燥，得到第二催化剂；步骤四，对所述第二催化剂在特定气氛、预定退火温度和退火时间下进行退火处理，得到非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂。2.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法，其特征在于：其中，步骤一中所述的铂前驱体为六水合氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾以及乙酰丙酮铂中的一种，所述过渡金属前驱体分别为过渡金属的氯化盐、氯酸盐、硝酸盐、醋酸盐以及乙酰丙酮盐中的至少一种，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、溴化钾、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基硫酸钠以及苯甲酸中的至少一种，所述非金属源为含氮、或含磷、或含硫的有机盐或无机盐类中的至少一种，所述特定溶剂为油胺、油酸、1
‑
十八烯、N
‑
N二甲基甲酰胺、N
‑
N二甲基乙酰胺、乙二醇以及三乙二醇中的至少一种，所述炭载体为炭黑、碳纳米管、石墨烯以及乙炔黑中的至少一种。3.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂的多组元铂合金碳载催化剂的制备方法，其特征在于：其中，步骤一中，所述铂前驱体、所述过渡金属前驱体、所述表面活性剂以及所述炭载体的质量比例为(10～12)：(125～128)：(100～102)：(40～42)。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韬，高鹏宇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：