CN105789641A - 燃料电池、一种铂碳催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池、一种铂碳催化剂及其制备方法。所述制备方法包括:将铂盐溶液溶解于乙二醇溶液中以形成第一混合液;将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中以形成第二混合液;在碱性环境下对所述第二混合液加热回流以进行第一反应,然后冷却并在酸性环境下进行第二反应,再恢复所述第二混合液的中性环境并干燥后得到所述铂碳催化剂。本发明能够提高铂碳催化剂的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,特别涉及一种燃料电池、一种铂碳催化剂及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)是新一代以氢气为燃料的发电装置,它除具有燃料电池的一般优点(能量转换效率高和环境友好等)外,还具有比功率与比能量高、工作温度低、可在室温下快速启动和寿命长等突出优点,成为最有发展前途的一种燃料电池。然而,质子膜燃料电池一直面临着两个巨大的挑战:稳定性和高成本。这两个挑战直接与所使用的电催化剂相关,因为电催化剂主要决定了阴极的氧化还原反应效率,从而决定了质子膜燃料电池的催化效率和整个电池的转换效率。因而,对电催化剂的研究成为PEMFC研究的主要内容。低成本、高催化效率和良好稳定性是质子膜燃料电池对新型电催化剂的基本要求。
催化剂的制备方法对催化剂Pt的粒径及晶态都有很大的影响。通常,催化剂粒子的尺寸和分布是决定催化剂活性的关键因素。按照报道,铂和铂合金粒子尺寸控制在3~5nm将获得相应较高的电催化剂活性。Virkar等在专利US8168561B2中阐述了核壳催化剂材料的结构形成、相关的晶体结构和晶格尺寸参数关系,并提及了相关的粒子尺寸对金属催化剂电催化活性的影响。而合成的方法和热处理方式对金属粒子的尺寸有很大的影响。因此,人们开始尝试改进合成方法,调整还原体系来制备尺寸小,分布窄和电化学活性高的Pt/C催化剂。
公开号为CN101096016A的专利申请文件于2008年1月2日公开了一种制备质子交换膜燃料电池用Pt/C催化剂的方法。该方法使用酒石酸、苹果酸和葡萄糖中的一种或几种作为保护剂,并将保护剂和吸附有铂化合物的碳载体形成悬浮液后与还原剂接触来制备Pt/C催化剂。这种方法有利于催化剂纳米颗粒的形成,同时极大地缩短了反应时间。但所生成的纳米颗粒的尺寸较大,催化活性不高。
公开号为WO2012088681A1的专利申请文件于2012年7月5日公开了一种利用反胶束体系制备Pt/石墨烯催化剂的方法。该方法采用石墨烯做载体,利用石墨烯的离子效应和二维延展性,提高了催化剂的稳定性。反胶束体系提供了一种微环境(油包水微乳液),有利于纳米粒子粒径和尺寸分布的控制。但该方法需要反胶束体系的配制,前躯体的形成,破乳和过滤等七个步骤,制备工艺较为复杂。并且对其所合成的催化剂的尺寸和分布也未进行具体表征,其电化学性能也未见大幅度提高。
公开号为CN101740784A的专利申请文件于2010年6月16日公开了一种燃料电池用铂/碳气凝胶催化剂的制备方法。该方法以碳气凝胶为催化剂载体,以铂为活性组分,制备的催化剂铂载量在15wt%~60wt%。该方法是将碳气凝胶分散在乙二醇中,然后加入氯铂酸的乙二醇溶液,调节PH值,通过微波炉间歇式加热来制备铂/碳催化剂。该方法所制备的催化剂具有粒子分布均匀,颗粒细小的优点。但是该方法在制备催化剂载体时大量使用有机溶剂(间二苯酚,甲醛等),并需要氦气保护及高温处理(1100℃),整个周期在一周以上。由此可见,该方法工艺复杂,周期长,成本高不适合大批量工业生产。
中山大学学报(自然科学版)2010年49期的第72页至第76页公开了一种使用浸渍液相还原法制备Pt/C催化剂的方法,包括分别使用甲醛、硼氢化钠和乙二醇作为还原剂制备了负载量20%的Pt/C催化剂。其发现3种催化剂的活性大小顺序为Pt/C(乙二醇)>Pt/C(甲醛)>Pt/C(硼氢化钠)。采用乙二醇还原法制备的Pt/C催化剂Pt聚集程度最小,其粒径最小(2.2nm),Pt的电化学表面积最大(74.1m2·g-1)。但该法制备的铂载量较低,仅有20%。再者,碳气凝胶的制备工艺仍需高温,氮气保护,使用大量有机溶剂。因此,该方法也需改进才能适合大批量的工业化生产。
公开号为US6815391B2的专利申请文件于2004年11月9日公开了一种利用氯化铵,氯化钾,溴化铵,溴化钾,碘化铵或碘化钾为敖合剂制备铂/碳催化剂的方法。该方法制备的金属纳米粒子在2.5nm~4.5mm。其电化学活性较商用催化剂有所提高。但敖合剂的添加需要反复多次的大量水冲洗。因此,对于大批量的工业化生产也是一个挑战
公开号为US20060134506A1的专利申请文件于2006年6月22日公开了一种以高电化学表面积的碳为载体(1200m2/g)、利用沉淀法合成铂/碳催化剂的方法。其所合成的金属纳米粒子可控制在1nm~3.5nm,而且分布均匀,碳负载量高达56wt%以上,其电化学性能也有所提高。在单电池测试中,利用JohnsonMattheyCo.和TanakaCo.的催化剂所制备的膜电极,0.6V下的电流密度分别为0.38A/cm2和0.34A/cm2。而用此方法制备的催化剂涂成的膜电极,0.6V下的电流密度为0.56A/cm2。但是此法对于碳载体的要求比较高,其电化学表面积必须在1200m2/g以上。因此该法具有一定的局限性。再者,本专利没有提及催化剂的寿命问题,所以该性能也待考察。
公开号为US4985386A的专利申请文本于1991年1月15日公开了一种以硫代硫酸钾或硫代硫酸钠为弱还原剂制备铂/碳催化剂的方法。该法制备的铂纳米粒子尺寸小于2nm,且粒子分布均匀,催化剂电化学活性较高。但是该法制备周期较长,需3~5天。
基于上述,目前铂碳催化剂制备方法主要有无机胶体法、浸渍法、凝胶溶胶法和沉淀法等,这些方法制备的催化剂存在粒子尺寸大、颗粒分散性差、粒径不均匀、反应条件比较苛刻和后处理困难等问题,铂碳催化剂的制备效率不高。
发明内容
本发明技术方案所解决的技术问题为,如何提高铂碳催化剂的制备效率。
为了解决上述技术问题,本发明技术方案提供了一种用于燃料电池的铂碳催化剂的制备方法,包括:
将铂盐溶液溶解于乙二醇溶液中以形成第一混合液;
将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中以形成第二混合液;
在碱性环境下对所述第二混合液加热回流以进行第一反应,然后冷却并在酸性环境下进行第二反应,再恢复所述第二混合液的中性环境并干燥后得到所述铂碳催化剂。
可选的,所述乙二醇溶液是去离子水和乙二醇的混合液,且去离子水和乙二醇的体积比例小于或等于1∶5。
可选的,所述铂盐溶液是去离子水和铂盐化合物的混合液,且去离子水和铂的质量比为100∶0.4~100∶7。
可选的,所述铂盐化合物为氯铂酸化合物或四氯铂酸碱金属盐化合物。
可选的,所述第二混合液中铂和碳的投料质量比例为3∶7~7∶3。
可选的,所述悬浮液是将导电性碳载体加入乙二醇中、超声分散后获得的。
可选的,所述导电性碳载体为炭黑。
可选的,所述导电性碳载体的比表面积为200~800m2/g。
可选的,所述超声分散的时间为20min~60min。
可选的,所述将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中包括:将所述第一混合液滴加至所述悬浮液中并均匀搅拌。
可选的,所述碱性环境的PH值范围为9~11。
可选的,所述加热回流包括:对所述第二混合液升高温度至140~170℃。
可选的,所述第一反应的时间为1h~3h。
可选的,所述冷却包括:冷却温度至20~40℃。
可选的,所述酸性环境的PH值范围为1~3。
可选的,搅拌以进行第二反应,所述第二反应的时间为20~40h。
可选的,使用去离子水对所述第二混合液反复洗涤及过滤,以恢复所述第二混合液的中性环境。
可选的,在惰性气体保护下进行所述干燥。
为了解决上述技术问题,本发明技术方案还提供了一种用于燃料电池的铂碳催化剂,所述铂碳催化剂使用如上所述的制备方法得到,该铂碳催化剂的铂含量为30%~70%。
可选的,所述铂碳催化剂的铂金属纳米粒子的平均粒径为2~4nm。
为了解决上述技术问题,本发明技术方案还提供了一种燃料电池,包括:电极及如上所述的铂碳催化剂。
本发明技术方案的有益效果至少包括:
本发明技术方案使用乙二醇(EG)的混合溶剂作为还原溶剂,采用简单回流的方法反应并制备催化剂,能够形成低成本、含铂50wt%的铂碳催化剂:将铂盐化合物作为铂(Pt)的前驱体,乙二醇作为还原剂,本方案首先在混合液中将铂离子还原为纯的铂金属纳米粒子并分散在碳载体上,然后,经洗涤去除溶剂并干燥后制备得到铂碳催化剂。本申请所制备得到的铂碳催化剂具有很高的催化活性及稳定的电化学稳定性,且在140mA/mgPt的电化学寿命测试中,500圈运行后的催化活性仅损失了25%。
本发明技术方案在使用乙二醇作为还原剂制备铂金属粒子的时候,乙二醇在反应中担当了重要的角色,它既是溶剂也是弱还原剂,并且起到了表面活性剂保护溶液中还原的金属粒子的作用。缓慢的还原反应速率,乙二醇的保护作用和适当粘度的溶液体系使得所合成的纳米粒子尺寸小,尺寸分布窄,并且在溶剂中分散均匀,形成催化剂粒子小颗粒粒径下的理想分布。不同于采用强还原剂还原铂金属离子的方式,强还原剂的反应速率快,所得到的金属粒子尺寸和尺寸分布很难控制,制备到的粒子颗粒度和粒子分布不均匀,且容易发生粒子聚集,而本发明技术方案则克服了这一缺陷。
本发明技术方案回流环境设置为碱性环境(pH值在9~11),有助于铂纳米粒子的快速成核和控制生成小尺寸的纳米晶;当温度降低到20-40℃时,再次调节pH值为1~3,有助于纳米晶的缓慢生长和促进铂前体的彻底反应。通过调节pH值可以有效的调控纳米晶的成核与生长,从而控制纳米晶的尺寸和尺寸分布。最终洗涤样品恢复中性PH值(7左右),是为了确保体系中不再含有多于的酸。
本发明技术方案利用乙二醇为还原剂,可制备得到粒子尺寸(2nm~5nm)和负载量可控(可高于50wt%)的铂碳催化剂;本发明技术方案所制备到的铂碳催化剂具备了高电催化剂活性最佳的粒子尺寸范围,且有高铂含量,克服了在膜电极(MEA)的组装中由于低铂含量带来的催化剂层增厚等问题。本发明技术方案的制备方法简单可行,具备很高的安全性和可靠性,且制备成本较低,能够适合于大规模的工业化生产。
附图说明
图1为本发明技术方案提供的一种用于燃料电池的铂碳催化剂的制备方法的流程示意图;
图2为基于本发明技术方案所制备得到的铂碳催化剂的粒子分布示意图;
图3为基于本发明技术方案所制备得到的铂碳催化剂的X射线衍射图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和效果能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请提供了一种用于燃料电池的铂碳催化剂的制备方法,如图1所示,包括如下步骤:
步骤S100,将铂盐溶液溶解于乙二醇溶液中以形成第一混合液。
本申请使用乙二醇(EG)溶液作为还原溶剂,将铂盐化合物作为铂(Pt)的前驱体,铂盐溶液和乙二醇溶液的混合液使铂离子还原为纯的铂金属纳米粒子。
在使用乙二醇作为还原剂制备铂金属粒子的时候,乙二醇在反应中担当了重要的角色,它既是溶剂也是弱还原剂,并且起到了表面活性剂保护溶液中还原的金属粒子的作用。
在本步骤中,所述乙二醇溶液是去离子水和乙二醇的混合液,且去离子水和乙二醇的体积比例小于或等于1∶5为佳,在操作时,为了配比方便,乙二醇溶液中乙二醇所占体积也可略小,如去离子水和乙二醇的体积比例为1∶2也可,这主要取决于铂盐溶液中铂离子的浓度配比。
所述铂盐溶液则是去离子水和铂盐化合物的混合液,铂盐溶液中,去离子水和铂的质量比为100∶0.4~100∶7为佳,但在操作时,考虑到反应温度及反应条件的设置区别,铂盐溶液的配置比例可以不做限定,铂盐化合物仅需充分分散至去离子水中即可。
本步骤中所述铂盐化合物为铂前体,铂前体的类型可以是氯铂酸化合物或四氯铂酸碱金属盐化合物。更为具体的,所述铂盐化合物可以使用氯铂酸钾(K2PtCl6)、氯铂酸钠(Na2PtCl6)、氯铂酸(H2PtCl6)、四氯铂酸钾(K2PtCl4)、四氯铂酸钠(Na2PtCl4)、四氯铂酸铵((NH4)2PtCl4)等化合物实现。铂前体的类型选择为上述化合物时,制备效果较佳。
步骤S101,将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中以形成第二混合液。
所述悬浮液是将导电性碳载体加入乙二醇中、超声分散后获得的。所述导电性碳载体为炭黑。所述导电性碳载体的比表面积为200~800m2/g。所述超声分散的时间为20min~60min。
所述将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中包括:将所述第一混合液滴加至所述悬浮液中并均匀搅拌。使用滴加的方式将所述第一混合液分散至所述悬浮液,能够使悬浮液中的粒子更为均匀,不易结块,用利于后续反应。
所述第二混合液中铂和碳的投料质量比例为3∶7~7∶3。铂和碳的投料质量比控制能够控制制备过程中铂碳粒子的尺寸及负载量,实现铂碳催化剂粒子尺寸及负载量的有效控制。对应于第二混合液中铂和碳的投料质量比例,所得铂碳催化剂的铂含量为30%~70%。
继续参考图1,本申请所述制备方法还包括:
步骤S102,在碱性环境下对所述第二混合液加热回流以进行第一反应,然后冷却并在酸性环境下进行第二反应,再恢复所述第二混合液的中性环境并干燥后得到所述铂碳催化剂。
在步骤S102中,在碱性环境下对所述第二混合液加热回流是指:调节步骤S101中的第二混合液的PH值至碱性范围,优选PH值的范围为9~11。
所述加热回流包括:对所述第二混合液升高温度至140~170℃,再缓慢地加热回流1小时~3小时,以进行所述第一反应。第一反应使第二混合液中的铂离子被还原为铂金属粒子。第一反应结束,则将温度冷却至20℃~40℃。
本步骤S102继续在冷却后对该混合液进行第二反应,在酸性环境下进行第二反应是指:调节冷却后的第二混合液的PH值至酸性范围,优选PH值的范围为1~3,其中PH值为2左右为佳。
在酸性环境下,对第二混合液进行搅拌以进行第二反应,使混合液内的反应物均匀反应,所述第二反应的时间为20小时~40小时,一般24小时可满足反应要求。第二反应过程中,可以使得铂离子被彻底还原成铂金属。
在第二反应结束后,可使用去离子水对所述第二混合液进行反复洗涤及过滤,以恢复所述第二混合液的中性环境。
可以使用烘箱干燥所述第二混合液以得到铂碳催化剂。干燥过程可以在惰性气体(比如,氮气、氩气或氦气)保护下进行,以防止制备物在干燥过程中的氧化。
需要说明的是,与现有技术不同的是,本申请至少在如下几个方面对铂碳催化剂的制备方法进行了改进:
第一为制备过程中的铂前体和碳的比例,在投料时即可控制铂与碳的比例,充分考虑到铂还原度与碳元素的比例关系,及其催化剂的催化活性及电化学稳定性。特别指出的是,本方法可以制备50wt%以上的高铂含量的铂碳催化剂。一般文献报道在铂碳催化剂合成中,随着铂的含量提高,铂离子被还原所形成的铂纳米粒子的尺寸也在增加,很难控制最后得到的铂粒子在5纳米(nm)以下。本合成方法能对制备的铂合金粒子尺寸大小与其分布进行控制,特别是铂含量在50wt%及以上的催化剂非常有效,解决了通过制备条件的控制粒子尺寸和获得高电催化性能的问题。
第二为铂前体的类型,本申请在投料上设定铂前体为铂盐,从其溶液度、反应速率、反应均衡等方面,铂盐本身具有一定的反应优势;并且铂盐的获取成本较低,其铂含量较高。
第三为乙二醇溶液中乙二醇与水的体积比,溶液中水的含量直接影响铂离子的还原和最终所形成的铂纳米粒子的尺寸和尺寸分布。目前所报道的合成方法仅限于乙二醇体系。
第四为反应体系的pH值,本申请中回流的pH值在9~11,有助于铂纳米粒子的快速成核和控制生成小尺寸的纳米晶;当温度降低到20℃~40℃时,pH值调节在1~3,有助于纳米晶的缓慢生长和促进铂前体的彻底反应。本专利通过调节pH值可以有效的调控纳米晶的成核与生长,从而控制纳米晶的尺寸和尺寸分布。
第五为反应温度,本申请中回流反应温度可控制在140℃~170℃,水的加入和pH值的调控降低了铂还原时所需的回流温度。
第六为回流时间,本申请中回流时间控制在1~3小时,水的加入和pH值的调控大大缩短了铂还原所需的反应时间。
通过上述第一至第六点的改进,本申请能够制备尺寸和负载量可控的铂碳催化剂。
需要着重指出的是:
本申请中,使用乙二醇作为还原剂制备铂金属粒子是具有贡献性作用的;乙二醇在制备过程中作为既是溶剂也是弱还原剂,作为溶剂的乙二醇,还能够起到表面活性剂的作用,保护溶液中被其还原的金属离子;另外,由于乙二醇是一种弱还原剂,其与铂盐化合物还原反应速率比较慢,在反应较慢的情况下,铂金属粒子的生成速度能够得到控制,根据能量最低原理,缓慢生成的铂金属粒子在碳载体上堆积,从而实现定向生长,最终形成分布较为均匀的铂碳粒子结构。由于铂金属原子能够定向生长,因此不会发生团聚现象,得到的铂碳催化剂能够具有较高的载量,从而具有较高的催化活性和较高的铂利用率。
在乙二醇的保护作用和适当粘度的溶液体系使得所合成的纳米粒子尺寸小,尺寸分布窄,并且在溶剂中分散均匀,形成催化剂粒子小颗粒粒径下的理想分布。
图2示意了基于本申请的制备方法且利用乙二醇为还原剂、制备得到的铂碳催化剂的粒子分布示意图,可见观测区域S中,铂碳纳米粒子的分布非常均匀,纳米粒子之间尺寸均衡,催化剂粒子的颗粒粒径较小,是一种理想分布状态。
为了进一步说明本发明,以下结合制备方法的实施例对本申请的技术方案进行详细描述。
需要说明的是:
以下各实施例中所用原料均为从市场上购得的常规化学品。
实施例中的试验方法包括:
循环伏安测试:
电解质:室温下N2气饱和的0.1MHClO4,扫描速度为20mV/s,电压扫描范围0.03-1.20VvsRHE,采用氢脱附面积计算ECA,测试仪器为搭配旋转圆盘电极系统(PineInstruments,U.S.)的CHI730D型电化学分析仪(CHIInstrumentsInc.,U.S.)。
氧还原测试:
电解质:O2饱和的0.1MHClO4,测试温度60℃,旋转圆盘转速1600rpm,正向扫描5mV/s,电压扫描范围0-1.00vvsRHE,测试仪器为搭配旋转圆盘电极系统(PineInstruments,U.S.)的CHI730D型电化学分析仪(CHIInstrumentsInc.,U.S.)。
稳定性测试:
电解质:N2饱和的0.1MHClO4水溶液,扫描速度为50mV/s,扫描范围0.60-1.20VvsRHE,室温扫描500圈。测试仪器为搭配旋转圆盘电极系统(PineInstruments,U.S.)的CHI730D型电化学分析仪(CHIInstrumentsInc.,U.S.)。
实施例一
实施例一适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂:
室温条件下(25℃),将2g六水合铂氯酸(H2PtCl6·6H2O,Sigma-adrich公司)配制成22.16wt%的水溶液,以形成铂氯酸溶液。抽取2.860g铂氯酸溶液溶解于10ml的去离子水和20ml的乙二醇(Ethyleneglycol,EG)溶液中,形成第一混合液。
另取10ml的去离子水和20ml的乙二醇溶液,利用超声(仪器型号8892,Core-Parmer公司)将碳(0.303g,Kejtenblack)分散于该溶液,以形成碳悬浮液。
制备过程包括:
首先将第一混合液通过滴液漏斗加入到均匀的碳悬浮液中,混合搅拌均匀后,调节pH值在10范围内,升高温度到160℃,加热回流3小时,使溶液中的铂离子被还原成铂金属粒子。然后冷却到40℃,再次调节pH值在2左右,搅拌24小时,使得铂离子彻底被还原为铂。最后,用去离子水洗涤、过滤,直到最终滤液pH值为7左右;利用烘箱干燥(6h,60℃,惰性气体保护,如N2气体、Ar气体)后得到铂碳粒子催化剂。
对制备得到的铂碳粒子催化剂进行如下测试及分析,可知:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为72m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为162mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为12%、氧还原反应的质量活性下降为21%。
另外,所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图可参考图3。通过对该X射线衍射图的分析,根据图3中衍射峰的宽度,再通过谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为2.1nm。
实施例二
实施例二同样适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂,不同于实施例一的是,其制备过程中,第一次调节溶液的pH值为9左右。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为58m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为129mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为15%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.3nm。
实施例三
实施例三同样适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂,不同于实施例一的是,其制备过程中,第一次调节溶液的pH值为11左右。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为65m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为148mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为13%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为2.9nm。
实施例四
实施例四同样适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂,不同于实施例一的是,其制备过程中,第二次调节溶液的pH值为1左右。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为60m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为135mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为13%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.0nm。
实施例五
实施例五同样适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂,不同于实施例一的是,其制备过程中,第二次调节溶液的pH值为3左右。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为61m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为137mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为13%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为2.9nm。
实施例六
实施例六适于制备含铂量为60wt%左右的铂碳催化剂:
室温条件下(25℃),将2.4g六水合铂氯酸配制成22.16wt%的水溶液,以形成铂氯酸溶液。抽取2.860g铂氯酸溶液溶解于5ml的去离子水和20ml的乙二醇溶液中,形成第一混合液。
另取10ml的去离子水和20ml的乙二醇溶液,利用超声将0.363g碳分散于该溶液,以形成碳悬浮液。
制备过程可参考实施例一。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为75m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为150mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为11%、氧还原反应的质量活性下降为20%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为1.9nm。
实施例七
实施例七适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂:
室温条件下(25℃),将2g四氯铂酸铵((NH4)2PtCl4))配制成22.16wt%的水溶液,以形成铂氯酸铵溶液。抽取2.860g铂氯酸铵溶液解于10ml的去离子水和20ml的乙二醇(Ethyleneglycol,EG)溶液中,形成第一混合液。
另取10ml的去离子水和20ml的乙二醇溶液,利用超声(仪器型号8892,Core-Parmer公司)将碳(0.303g,Kejtenblack)分散于该溶液,以形成碳悬浮液。
制备过程可参考实施例一。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为58m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为130mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为14%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.2nm。
实施例八
实施例八适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂:
室温条件下(25℃),将2g六水合铂氯酸配制成22.16wt%的水溶液,以形成铂氯酸溶液。抽取2.860g铂氯酸溶液溶解于5ml的去离子水和25ml的乙二醇溶液中,形成第一混合液。
另取5ml的去离子水和25ml的乙二醇溶液,利用超声(仪器型号8892,Core-Parmer公司)将碳(0.303g,Kejtenblack)分散于该溶液,以形成碳悬浮液。
制备过程可参考实施例一。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为46m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为120mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为16%、氧还原反应的质量活性下降为23%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为4.2nm。
实施例九
实施例九适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂:
室温条件下(25℃),将2g六水合铂氯酸配制成22.16wt%的水溶液,以形成铂氯酸溶液。抽取2.860g铂氯酸溶液溶解于3ml的去离子水和27ml的乙二醇溶液中,形成第一混合液。
另取3ml的去离子水和27ml的乙二醇溶液,利用超声(仪器型号8892,Core-Parmer公司)将碳(0.303g,Kejtenblack)分散于该溶液,以形成碳悬浮液。
制备过程可参考实施例一。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为44m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为120mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为16%、氧还原反应的质量活性下降为23%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为4.4nm。
实施例十
实施例十适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂。不同于实施例一的是,其制备过程中,其加热回流的时间为1小时。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为56m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为125mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为15%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.5nm。
实施例十一
实施例十一适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂。不同于实施例一的是,其制备过程中,其加热回流的时间为2小时。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为56m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为128mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为15%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.4nm。
实施例十二
实施例十二适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂。不同于实施例一的是,其制备过程中,其加热回流的温度在140℃。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为46m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为120mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为15%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为5.0nm。
实施例十三
实施例十二适于制备含铂量为50wt%的铂碳催化剂。不同于实施例一的是,其制备过程中,其加热回流的温度在170℃。此时,得到的铂碳催化剂:
对该铂碳粒子催化剂进行循环伏安测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积为58m2/gPt;
对该铂碳粒子催化剂进行氧还原测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的氧还原反应的质量活性为129mA/mgPt;
对该铂碳粒子催化剂进行稳定性测试后,得到所述铂碳粒子催化剂的电化学表面积损失为15%、氧还原反应的质量活性下降为22%。
另外,根据所制备的铂碳催化剂的X射线衍射图中衍射峰的宽度,基于谢乐(Scherrer)公式可以计算出,该铂碳催化剂的铂纳米粒子尺寸约为3.3nm。
根据上述实施例及实验数据可知:
本申请所制备的以碳为载体的铂碳催化剂,其铂碳纳米粒子的平均粒径在2~5纳米之间。金属纳米粒子在2~5纳米的范围内时,其电化学的催化活性最强。因此,该铂碳催化剂具有较强的电化学催化活性;本申请的制备方法能够将铂金属纳米粒子的尺寸控制在5纳米以下,也可通过调节反应条件控制铂纳米粒子尺寸与分布,并同时可制备铂含量在50wt%及以上的催化剂。
本申请所制备的铂碳催化剂达到140mA/mgPt,在电化学寿命测试中,500圈运行后的催化活性仅损失了25%左右。该铂碳催化剂的制备方法安全可靠,简单易行,并大大降低了生产成本。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (21)
1.一种用于燃料电池的铂碳催化剂的制备方法,其特征在于,包括:
将铂盐溶液溶解于乙二醇溶液中以形成第一混合液;
将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中以形成第二混合液;
在碱性环境下对所述第二混合液加热回流以进行第一反应,然后冷却并在酸性环境下进行第二反应,再恢复所述第二混合液的中性环境并干燥后得到所述铂碳催化剂。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述乙二醇溶液是去离子水和乙二醇的混合液,且去离子水和乙二醇的体积比例小于或等于1∶5。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铂盐溶液是去离子水和铂盐化合物的混合液,且去离子水和铂的质量比为100∶0.4~100∶7。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述铂盐化合物为氯铂酸化合物或四氯铂酸碱金属盐化合物。
5.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述第二混合液中铂和碳的投料质量比例为3∶7~7∶3。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述悬浮液是将导电性碳载体加入乙二醇中、超声分散后获得的。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述导电性碳载体为炭黑。
8.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述导电性碳载体的比表面积为200~800m2/g。
9.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述超声分散的时间为20min~60min。
10.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述将所述第一混合液分散至碳与乙二醇配置成的悬浮液中包括:将所述第一混合液滴加至所述悬浮液中并均匀搅拌。
11.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述碱性环境的PH值范围为9~11。
12.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述加热回流包括:对所述第二混合液升高温度至140~170℃。
13.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一反应的时间为1h~3h。
14.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述冷却包括:冷却温度至20~40℃。
15.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述酸性环境的PH值范围为1~3。
16.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,搅拌以进行第二反应,所述第二反应的时间为20~40h。
17.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,使用去离子水对所述第二混合液反复洗涤及过滤,以恢复所述第二混合液的中性环境。
18.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在惰性气体保护下进行所述干燥。
19.一种用于燃料电池的铂碳催化剂,其特征在于,所述铂碳催化剂使用如权利要求1至18任一项所述的制备方法得到,该铂碳催化剂的铂含量为30%~70%。
20.如权利要求19所述的铂碳催化剂,其特征在于,所述铂碳催化剂的铂金属纳米粒子的平均粒径为2~4nm。
21.一种燃料电池,其特征在于,包括:电极及如权利要求19或20任一项所述的铂碳催化剂。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160720 |