一种低铂金属含量的铂基催化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术属于电化学能源材料制备技术领域，公开了一种低铂金属含量的铂基催化剂、制备方法及应用，将过渡金属前驱体和铂金属前驱体分别加入水溶剂中超声分散均匀，然后加入圆底烧瓶中加热搅拌，并一次性加入一定量还原剂水溶液得到混合溶液，搅拌一段时间后得到过渡金属纳米颗粒分散液；加入铂金属前驱体溶液并加热搅拌，然后加入还原剂水溶液得到混合溶液，继续加热搅拌一段时间后得到过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒分散液，离心浓缩，即可得到低铂金属含量的铂基催化剂。本发明专利技术不仅实现了铂基核壳结构的高效合成，而且通过调节前驱体比例，反应温度和时间等参数，可以实现低铂载量电催化剂的可控制备，大大降低了催化剂的材料成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种低铂金属含量的铂基催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于电化学能源材料制备
，尤其涉及一种低铂金属含量的过渡金属@铂核壳结构电催化剂、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]目前，燃料电池是一种直接将燃料(氢气、甲醇、乙醇等)的化学能转化为电能的电化学发电装置，具有环境友好、转化效率高、低温启动效果好等优点，近年来受到了广泛的关注。
[0003]在燃料电池阴极通常发生的是氧还原反应(ORR)，即氧气被还原生成氢氧根(碱性条件)或者水(酸性条件)。因为ORR缓慢的反应动力学，导致电池整体效率降低，因此需要开发高活性的ORR催化剂。铂金属具有非常高的氧还原活性，包括比较正的起始电势和半波电势，以及较大的扩散电流，被认为是理想的活性金属。但是铂的储量低、成本高，不利于铂基催化剂的产业化和实际应用。因此迫切需要一种简单的方法制备高活性、高稳定性的低铂金属含量的铂基催化剂，一方面便于催化剂的批量生产和实际应用，另一方面有助于制造低成本的燃料电池。
[0004]在已公开的专利中，通常利用合金或者核壳结构来降低铂金属的用量，比如专利授权号CN112151820B提出了一种铂负载量为10～27wt％的炭载铂铜合金多孔纳米线催化剂的制备方法，但在材料制备时需要多步操作，同时制备时需要十六胺等表面活性剂，最终还需要多步离心等操作清除表面残留的表面活性剂，制备过程繁琐，不利于规模制备，而且铂负载量还不够低。专利授权号CN105214685B提出了一种铂负载量2
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20wt％的铂钴合金结构催化材料的制备方法，但是制备时最高需要800
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1200℃的超高温，对设备和环境要求较高，也不利于批量化生产。专利授权号CN112237914B提出了一种铂稀土合金@铂核壳催化剂的制备方法，该专利技术专利未标注材料中铂金属质量百分比，同时制备过程也需要600℃900℃高温，对设备和环境要求较高。
[0005]因此，开发一种实验条件简易、操作简单、易于批量生产的方法制备低铂金属含量的高性能铂基电催化剂具有重要意义。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的铂基电催化剂的制备方式制备过程繁琐，不利于规模制备，而且铂负载量还不够低，对设备和环境要求较高。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低铂金属含量的铂基催化剂、制备方法及应用。
[0008]本专利技术是这样实现的，通过水热法简单混合金属前驱体和还原剂，提出了一种低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法包括：
[0009]步骤一，将过渡金属前驱体和铂金属前驱体分别加入水溶剂中超声分散均匀，分别得到过渡金属前驱体溶液和铂金属前驱体溶液；
[0010]步骤二，将一定量的过渡金属前驱体溶液加入圆底烧瓶中加热搅拌，并一次性加入一定量还原剂水溶液得到混合溶液，搅拌一段时间后得到过渡金属纳米颗粒分散液；
[0011]步骤三，在步骤二所得过渡金属纳米颗粒分散液中加入一定量铂金属前驱体溶液并加热搅拌，然后加入一定量还原剂水溶液得到混合溶液，继续加热搅拌一段时间后得到过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒分散液；
[0012]步骤四，将步骤三中所得过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒分散液离心浓缩，即可得到低铂金属含量的铂基催化剂。
[0013]进一步，所述步骤一中的过渡金属为铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌中的任意一种；
[0014]所述步骤一中的铂金属前驱体为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸铵、二氯四氨合铂和乙酰丙酮铂氯铂酸中的一种；
[0015]所述步骤一中的过渡金属前驱体和铂金属前驱体的摩尔比为20
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100：1。
[0016]进一步，所述水溶剂和还原剂水溶液中的水溶剂为超纯水、双蒸水或去离子水；
[0017]所述还原剂水溶液中的还原剂为硼氢化钠。
[0018]进一步，所述步骤二中的过渡金属前驱体溶液和还原剂水溶液体积比为1:1，摩尔比为1:10
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15。
[0019]进一步，所述步骤二中的加热搅拌方式为电热套加热、水浴加热和油浴加热中的一种，加热温度为40
‑
50℃；
[0020]混合溶液持续加热搅拌20
‑
30分钟，搅拌转速为800
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1000rpm，得到过渡金属纳米颗粒分散液。
[0021]进一步，所述步骤三中的过渡金属前驱体溶液和还原剂水溶液体积比为1:1，摩尔比为1:15
‑
20。
[0022]进一步，所述步骤三中的加热搅拌方式为电热套加热、水浴加热和油浴加热中的一种，加热温度为70
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80℃；
[0023]所述步骤三中的混合溶液持续加热搅拌30
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40分钟，转速为1000
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1200rpm。
[0024]进一步，所述步骤四中的离心处理时的离心力为10000
‑
12000g，离心时间为10
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15分钟，且可根据需求将浓缩后的过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒直接滴至电极表面进行电化学测试；
[0025]所述电化学测试条件为：在氧气饱和的0.1mol/L的HClO4溶液中，按常规三电极体系，以铂丝为对电极，以Ag/AgCl为参比电极，在旋转圆盘电极上测试过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒的氧还原反应活性和稳定性。
[0026]结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0027]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0028]本专利技术提出了一种低铂金属含量的过渡金属@铂核壳结构电催化剂的制备方法，不仅实现了铂基核壳结构的高效合成，而且通过调节前驱体比例，反应温度和时间等参数，可以实现低铂载量(2％wt
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16％wt)电催化剂的可控制备，大大降低了催化剂的材料成本。
[0029]本专利技术提出的方法具有实验条件简易、操作简单的特点，有利于规模化生产。本发
明采用的过渡金属前驱体，储量大且来源广泛，同时反应过程中无需额外添加表面活性剂，为批量生产过渡金属@铂核壳结构电催化剂提供了可能。
[0030]第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本专利技术所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：可简单快速制备不同铂金属含量的核壳纳米颗粒，通过调节铂金属用量可精确控制纳米颗粒成本，通过批量生产制备，并将其作为高效的燃料电池催化剂，有助于低成本燃料电池的产业化。
[0031]第三，作为本专利技术的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0032]本专利技术的技术方案填补了国内外业内技术空白：制备时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法包括：步骤一，将过渡金属前驱体和铂金属前驱体分别加入水溶剂中超声分散均匀，分别得到过渡金属前驱体溶液和铂金属前驱体溶液；步骤二，将一定量的过渡金属前驱体溶液加入圆底烧瓶中加热搅拌，并一次性加入一定量还原剂水溶液得到混合溶液，搅拌一段时间后得到过渡金属纳米颗粒分散液；步骤三，在步骤二所得过渡金属纳米颗粒分散液中加入一定量铂金属前驱体溶液并加热搅拌，然后加入一定量还原剂水溶液得到混合溶液，继续加热搅拌一段时间后得到过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒分散液；步骤四，将步骤三中所得过渡金属@铂核壳结构纳米颗粒分散液离心浓缩，即可得到低铂金属含量的铂基催化剂。2.如权利要求1所述的低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的过渡金属为铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌中的任意一种；所述步骤一中的铂金属前驱体为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸铵、二氯四氨合铂和乙酰丙酮铂氯铂酸中的一种；所述步骤一中的过渡金属前驱体和铂金属前驱体的摩尔比为20
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100：1。3.如权利要求1所述的低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述水溶剂和还原剂水溶液中的水溶剂为超纯水、双蒸水或去离子水；所述还原剂水溶液中的还原剂为硼氢化钠。4.如权利要求1所述的低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的过渡金属前驱体溶液和还原剂水溶液体积比为1:1，摩尔比为1:10
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15。5.如权利要求1所述的低铂金属含量的铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的加热搅拌方式为电热套加热、水浴加热和油浴加热中的一种，加热温度为40
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴晨硕，王斌，周雷，张俊祥，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：