一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑-錫納米催化劑及其制備方法技術

一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑

【技術實現步驟摘要】
一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑及其制備方法


[0001]本專利技術涉及燃料電池
，尤其涉及一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法，由所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法所制得的長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑。

技術介紹

[0002]近年來，質子交換膜燃料電池以其較佳的可操作性和能量效率，受到廣泛的關注。作為一種理想的能源供應設備，質子交換膜燃料電池的關鍵材料和技術卻受到國外限制，這嚴重地影響了“雙碳”目標的落實。因此，陰極催化劑作為質子交換膜燃料電池的關鍵材料，具有極其重要的研究價值。
[0003]當前，碳載鉑納米催化劑被認為是目前催化活性高且可大規(guī)模生產的陰極催化劑。但是，在酸性環(huán)境下，尤其是在質子交換膜燃料電池啟停的過程中(電勢差可高達1.5V)，碳載鉑納米催化劑的穩(wěn)定性直接關系到質子交換膜燃料電池的壽命。因此，亟需研究出在高電勢下仍可穩(wěn)定運行的碳載鉑納米催化劑。
[0004]研究發(fā)現，碳載鉑納米催化劑的催化活性和耐久性與其表面的原子環(huán)境高度相關。Zhang等(Science,2007,315,220
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222)公開了一種在碳載鉑納米催化劑表面修飾金原子的方法，包括以下步驟：在碳載鉑納米催化劑的鉑納米顆粒的表面欠電勢沉積銅，再將銅置換成金，從而獲得了表面修飾金原子的碳載鉑納米催化劑。相較于碳載鉑納米催化劑，所述表面修飾金原子的碳載鉑納米催化劑具有較高的氧化電位，使得所述表面修飾金原子的碳載鉑納米催化劑可在0.6～1.1V的電勢下循環(huán)掃描至少30000次后，比碳載鉑納米催化劑性能更穩(wěn)定。這種欠電勢沉積以及后續(xù)的化學置換的方法，過程繁瑣，且依賴于對催化劑的電化學電勢控制，不適用于大規(guī)模的批量制備。同時，上述方法利用貴金屬金來修飾鉑納米催化劑，進一步增加了催化劑的成本。
[0005]與可溶性的鐵鈷鎳等金屬相比，錫在酸性條件下仍具有較佳的化學穩(wěn)定性。而且，在高電位下，錫氧化物也具有較好的化學穩(wěn)定性。根據電勢
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pH圖(Electrochimica Acta,1984,29,1459
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1464)，在高電位下，錫形成氧化物性質仍然穩(wěn)定。現有的碳載鉑
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錫納米催化劑中鉑
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錫通常以合金的形式存在，原子半徑較大的錫原子對鉑晶格的拉伸作用會降低碳載鉑
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錫納米催化劑的氧還原催化活性。而且，現有的碳載鉑
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錫納米催化劑中的錫含量往往較高(原子百分含量大于25at％)，較多的錫原子覆蓋于鉑納米顆粒的表面，會進一步降低了所述碳載鉑
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錫納米催化劑的氧還原催化活性。中國專利CN111162287A公開了一種碳載鉑
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錫催化劑，錫原子百分含量高達50at％，導致其催化性能遠不如碳載鉑納米催化劑。Samjesk
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等(Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,17208
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17218)公開的SnO2?
包覆的Pt3Sn合金催化劑，和Chen等(J.Am.Chem.Soc.2020,142,6,3231
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3239)公開的Pt3Sn金屬間化合物，其質量活性都較低(均遠小于100mA/mg
Pt
)，不具備應用前景。

技術實現思路

[0006]有鑒于此，有必要提供一種新型高活性、長壽命的碳載鉑
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錫納米催化劑及其制備方法，以解決碳載鉑納米催化劑的催化穩(wěn)定性差、以及上述碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法制得的載鉑
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錫納米催化劑的催化活性差的問題。
[0007]一種高活性、長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法，包括以下步驟：
[0008]提供錫前驅體溶液和碳載鉑納米催化劑；
[0009]混合所述錫前驅體溶液和碳載鉑納米催化劑，得到分散液；
[0010]對所述分散液進行干燥處理，得到碳載鉑
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錫前驅體粉末；及
[0011]在還原性氣體，對所述碳載鉑
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錫前驅體粉末進行加熱處理，得到高活性、長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑，其中，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑包括碳載體、負載于所述碳載體上的鉑納米顆粒、及修飾在所述鉑納米顆粒表面上的少量錫原子，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的鉑與錫的原子比為10：1～50：1。
[0012]進一步地，所述錫前驅體溶液的濃度為0.05～0.12mol/L；和/或
[0013]所述錫前驅體溶液中的錫前驅體為乙酸錫、氯化錫、及乙酰丙酮錫中的至少一種；和/或
[0014]所述錫前驅體溶液中的溶劑為丙酮、乙醇、甲醇、及異丙醇中的至少一種，或所述錫前驅體溶液中的溶劑為丙酮、乙醇、甲醇、及異丙醇中的至少一種與水的混合物。
[0015]進一步地，所述分散液中，鉑與錫的原子比為10：1～50：1。
[0016]進一步地，所述碳載鉑納米催化劑的碳載體為炭黑、石墨烯、及碳納米管中的至少一種。
[0017]進一步地，所述鉑納米顆粒的粒徑為1～5nm。
[0018]進一步地，所述還原氣體為氫氣、氨氣、及一氧化碳中的至少一種，或所述還原氣體為氫氣、氨氣、及一氧化碳中的至少一種與氮氣及氬氣中的至少一種的混合氣體。
[0019]進一步地，所述加熱處理的溫度為200～350℃，時間為0.5～4h。
[0020]一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑，包括碳載體、負載于所述碳載體上的鉑納米顆粒、及修飾在所述鉑納米顆粒表面上的錫納米顆粒，其中，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的鉑與錫的原子比為10：1～50：1。
[0021]進一步地，所述碳載體為炭黑、石墨烯、及碳納米管中的至少一種；和/或
[0022]所述鉑納米顆粒的粒徑為1～5nm。
[0023]本專利技術提供的長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法中，對含有所述錫前驅體溶液和碳載鉑納米催化劑的分散液進行干燥處理，得到碳載鉑
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錫前驅體粉末，在還原性氣體下，對所述碳載鉑
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錫前驅體粉末進行加熱處理，得到長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑。所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑包括碳載體、負載于所述碳載體上的鉑納米顆粒、及修飾在所述鉑納米顆粒表面上的錫原子，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的鉑與錫的原本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法，其特征在于，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法包括以下步驟：提供錫前驅體溶液和碳載鉑納米催化劑；混合所述錫前驅體溶液和碳載鉑納米催化劑，得到分散液；對所述分散液進行干燥處理，得到碳載鉑
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錫前驅體粉末；及在還原性氣體下，對所述碳載鉑
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錫前驅體粉末進行加熱處理，得到長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑，其中，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑包括碳載體、負載于所述碳載體上的鉑納米顆粒、及修飾在所述鉑納米顆粒表面上的錫原子，所述長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的鉑與錫的原子比為10：1～50：1。2.根據權利要求1所述的長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法，其特征在于，所述錫前驅體溶液的濃度為0.05～0.12mol/L；和/或所述錫前驅體溶液中的錫前驅體為乙酸錫、氯化錫、及乙酰丙酮錫中的至少一種；和/或所述錫前驅體溶液中的溶劑為丙酮、乙醇、甲醇、及異丙醇中的至少一種，或所述錫前驅體溶液中的溶劑為丙酮、乙醇、甲醇、及異丙醇中的至少一種與水的混合物。3.根據權利要求1所述的長壽命質子交換膜燃料電池碳載鉑
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錫納米催化劑的制備方法，其特征在于，所述分散液中，鉑與錫的原子比為10：...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：康永強，李佳，康飛宇，干林，
申請(專利權)人：清華大學深圳國際研究生院，
類型：發(fā)明
國別省市：