【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及低温燃料电池，包括但不限于质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、金属-空气电池等，特别涉及一种利用静电纺丝技术制备的铂基金属间化合物催化剂、制备方法及膜电极、燃料电池。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(pemfcs)是将化学能直接转化为电能的能量转化装置，具有高能量密度、高效率、无污染、易于建设等优点，对于解决能源危机和环境问题具有重要意义。在燃料电池中催化剂与离子导电聚合物等形成的“三相反应界面”是电化学反应发生的场所，因此催化剂的反应活性和耐久性在很大程度上决定了燃料电池堆的性能和寿命。因此开发低成本、高活性和长寿命的催化剂是推动pemfcs商业化的关键。
2、大量研究表明，铂与过渡金属m(m为fe、co、ni、cu等过渡金属)形成铂-过渡金属合金是提升其氧还原反应(orr)活性的有效策略，但是在pemfcs的酸性环境中m金属容易发生溶解析出，从而造成催化剂本征活性的降低；与此同时溶出的过渡金属离子还会对催化层中的离子导电聚合物造成毒化，使其质子传导能力降低甚至丧失；此外，溶出的过渡金属离子还可能会与orr的副产物过氧化氢(h2o2)反应生成活泼的氧自由基，加速催化剂层中的离子导电聚合物及质子交换膜的降解，从而造成电池性能的快速衰减。近年来的研究表明，相较于面心立方结构(fcc)的固溶体催化剂，具有有序面心四方结构(fct)的铂-过渡金属间化合物因其m金属与铂原子具有强键合作用而具有优异的稳定性。从动力学上来说，实现无序相到有序相的转变需克服原子扩散和重排的能垒，因此在金属间化合物催化剂的制备过程中通
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术目的在于提供一种利用静电纺丝技术制备的铂基金属间化合物催化剂、制备方法及膜电极、燃料电池。
2、本专利技术利用硫原子与铂具有强相互作用的特点，络合剂中的巯基基团首先与铂络合，而络合剂中的氨基基团与非铂过渡金属离子络合，形成具有一定原子配比的金属络合物前驱体，再经热处理形成元素组成可控、具有高合金化程度和高有序度的铂基金属间化合物催化剂。本专利技术采用的铂基金属间化合物催化剂制备方法解决了现有铂基金属间化合物催化剂制备不可控、粒径大、有序化程度相对较低等问题。
3、本专利技术通过下述技术方案实现：
4、一种铂基金属间化合物催化剂，为碳纤维负载铂基纳米粒子，所述碳纤维为一维的纳米结构，所述碳纤维的直径为50～500nm；所述铂基纳米粒子具有表面富铂、内核为有序铂基金属间相的核-壳结构；所述铂基纳米粒子的晶粒尺寸为2～10nm。
5、一种铂基金属间化合物催化剂前体的制备方法，包括以下步骤：制备金属络合物前驱体：先将铂源与络合剂溶解络合形成金属离子络合物，再将金属离子络合物与非铂过渡金属源化合物络合，再与高分子纺丝助剂混合经静电纺丝获得纳米纤维状的金属络合物前驱体，其中所述络合剂为含有巯基的有机酸或其盐中的任意一种或其组合；一次热处理金属络合物纳米纤维前驱体，获得铂基金属间化合物催化剂前体。
6、在实施时，可以具体为：s1、制备金属络合物前驱体：将铂源化合物与络合剂溶解络合获得第一溶液，非铂过渡金属源化合物和高分子纺丝助剂分别溶解后获得第二溶液和第三溶液，再分别与第一溶液充分混合后得到静电纺丝溶液并进行静电纺丝，获得纳米纤维状的金属络合物前驱体，其中所述络合剂为含有巯基的有机酸或其盐中的任意一种或其组合；
7、s2、一次热处理金属络合物纳米纤维前驱体，获得铂基金属间化合物催化剂前体。
8、所述铂源为氯铂酸、氯化铂、硝酸铂、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠等中的一种或几种；所述非铂过渡金属源为铁、钴、镍、铜、钼、钌、铱或钯化合物中的一种或任意几种任意比例的组合；所述高分子纺丝助剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚氨酯、聚乙醇酸、聚丙烯腈等的任意一种或其组合；其中所述热处理是在惰性或低浓度的还原性气氛中进行，所述惰性气氛包括但不限于氮气、氩气、氦气中的任意一种；所述还原性气氛为所述惰性气氛中掺入还原性气体，所述还原性气体为氢气或氨气，所述还原性气氛体积含量为0.5～2.0％。
9、所述络合剂为半胱氨酸、高半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、巯基苯甲酸或其盐中的一种或任意组合。
10、步骤s1中首先用第一溶剂溶解铂源和络合剂，搅拌0.5～5.0小时使其充分络合得到第一溶液；用第二溶剂溶解过渡金属源，搅拌0.5～2小时后得到第二溶液；用第三溶剂溶解纺丝助剂，搅拌溶解2～24小时得到第三溶液，步骤s1中将第一溶液加入到第三溶液，搅拌0.5～5.0小时使其充分混合，再将第二溶液加入，继续搅拌0.5～5.0小时使其充分混合，形成均相静电纺丝溶液；或者，步骤s1中将第二溶液加入到第一溶液，搅拌0.5～5.0小时使其充分混合，然后再加入到第三溶液中，继续搅拌0.5～5.0小时使其充分混合，形成均相静电纺丝溶液；所述第一溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、氯仿中的一种或几种组成的混合溶剂，其中水的质量含量30～100％；所述第二溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙醇中的一种或几种组成的混合溶剂，其中水的质量含量50～100％；所述第三溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、丙醇、氯仿、丙酮、甲基甲酰胺、甲基乙酰胺中的一种或几种组成的混合溶剂，其中水的质量含量50本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铂基金属间化合物催化剂前体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铂源为氯铂酸、氯化铂、硝酸铂、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠等中的一种或几种；所述非铂过渡金属源为铁、钴、镍、铜、钼、钌、铱或钯化合物中的一种或任意几种任意比例的组合；所述高分子纺丝助剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚氨酯、聚乙醇酸、聚丙烯腈等的任意一种或其组合；所述络合剂为半胱氨酸、高半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、巯基苯甲酸或其盐中的一种或任意组合；其中所述一次热处理是在惰性或低浓度的还原性气氛中进行，所述惰性气氛包括但不限于氮气、氩气、氦气中的任意一种；所述还原性气氛为所述惰性气氛中掺入还原性气体，所述还原性气体为氢气或氨气，所述还原性气氛体积含量为0.5～2.0％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，静电纺丝溶液中，铂在所有金属元素中的原子占比为10～90％；络合剂与总金属离子的摩尔比为0.1～20:1；高分子纺丝助剂的质量百分含量为5～50％
4.一种由权利要求1-3任一项所述的制备方法获得的铂基金属间化合物催化剂前体。
5.一种铂基金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，将由权利要求1-3任一项所述的制备方法获得的铂基金属间化合物催化剂前体依次进行以下步骤的处理：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述升温阶段的升温速率为3～20度/分钟；所述恒温阶段温度为600～1300度；度所述恒温阶段时间为0.5～6小时；所述降温阶段的降温速率为1～5度/分钟；所述降温过程中的恒温阶段温度为400～700度；
7.一种由权利要求5-6任一项所述的制备方法获得的铂基金属间化合物催化剂。
8.如权利要求7所述的铂基金属间化合物催化剂，为碳纤维负载铂基纳米粒子，所述碳纤维为一维的纳米结构，所述碳纤维的直径为50～500nm；所述铂基纳米粒子具有表面富铂、内核为有序铂基金属间相的核壳结构；所述铂基纳米粒子的晶粒尺寸为2～10nm。
9.一种催化膜电极，包含如权利要求8所述的铂基金属间化合物催化剂。
10.一种包含权利要求9所述的催化膜电极的燃料电池。
...【技术特征摘要】
1.一种铂基金属间化合物催化剂前体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铂源为氯铂酸、氯化铂、硝酸铂、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠等中的一种或几种；所述非铂过渡金属源为铁、钴、镍、铜、钼、钌、铱或钯化合物中的一种或任意几种任意比例的组合；所述高分子纺丝助剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚氨酯、聚乙醇酸、聚丙烯腈等的任意一种或其组合；所述络合剂为半胱氨酸、高半胱氨酸、巯基乙酸、巯基丙酸、巯基丁二酸、巯基苯甲酸或其盐中的一种或任意组合；其中所述一次热处理是在惰性或低浓度的还原性气氛中进行，所述惰性气氛包括但不限于氮气、氩气、氦气中的任意一种；所述还原性气氛为所述惰性气氛中掺入还原性气体，所述还原性气体为氢气或氨气，所述还原性气氛体积含量为0.5～2.0％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，静电纺丝溶液中，铂在所有金属元素中的原子占比为10～90％；络合剂与总金属离子的摩尔比为0.1～20:1；高分子纺丝助剂的质量百分含量为5～50％。
【专利技术属性】
技术研发人员：沈佳，周卫江，郭云燕，刘好，徐铭杰，何天玉，舒正龙，王云，李云，陈启章，
申请(专利权)人：中自环保科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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