CN111509240A - 碳载铂催化剂粉体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳载铂催化剂粉体及其制备方法和应用，所述制备方法包括在氢气气氛下以150‑400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体，得到碳载铂催化剂粉体。由于单独的铂盐能够在氢气气氛、150‑400℃的温度下发生还原反应，因此，将碳载铂前驱体粉体置于150‑400℃的温度下进行还原处理，能够有效降低铂颗粒的团聚趋势，使得还原后的铂颗粒粒径处于1‑5纳米内，从而保证碳载铂催化剂粉体的活性和稳定性。

Description

碳载铂催化剂粉体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种碳载铂催化剂粉体及其制备方法和应用。
背景技术
采用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为动力的燃料电池汽车（FCEV），具有充气时间短、续航里程长以及零排放等优点，被认为是汽车电动化的终极发展目标。PEMFCs由催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板等构成，其中阴极氧气还原反应（ORR）和阳极氢气氧化反应（HOR）主要靠催化剂完成。碳载铂（Pt/C）是现阶段应用最广泛的ORR和HOR催化剂，其一般由载体材料，如高比表面积碳，负载铂的纳米颗粒（通常1-5纳米）组成。然而，由于铂的稀有属性，导致碳载铂催化剂粉体价格高昂，通过提高碳载铂催化剂粉体的活性，降低铂的载量是促进FCEV大规模应用的重要手段。
在现有技术中，一般采用铂盐制备碳载铂催化剂粉体，但是，制备的碳载铂催化剂粉体中的铂颗粒存在严重的团聚趋势，导致铂颗粒的粒径较大，使得碳载铂催化剂粉体的活性较弱。另一方面，现有碳载体很少进行前处理，导致制备的Pt/C催化剂在高电位容易发生电化学腐蚀，导致PEMFCs长期稳定性较差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳载铂催化剂粉体及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中因铂颗粒存在严重团聚趋势导致碳载铂催化剂粉体的活性较弱的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，包括：
在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体，得到碳载铂催化剂粉体。
本发明提供的另一技术方案为：
一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，包括：
对碳材料进行高温石墨化处理，得到碳载体；
对所述碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理，得到前驱体悬浊液；
对所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理，得到碳载铂前驱体粉体；
对所述碳载铂前驱体粉体进行氢气热还原处理，得到碳载铂催化剂粉体，其中，所述氢气热还原处理包括：在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧所述碳载铂前驱体粉体。
其中，所述氢气浓度为2vl%-20vl%。
其中，所述对碳材料进行高温石墨化处理的步骤包括：
将碳材料置于高温碳化炉中，在惰性气体保护下，以10-15℃/min的升温速率升至1000-2000℃并煅烧1-10h，之后冷却至室温，再进行研磨。
其中，对所述碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理的步骤包括：
将所述碳载体加入第一分散剂中，得到碳载体悬浊液；
将铂盐加入第二分散剂中，得到铂盐溶液；
将所述碳载体悬浊液和所述铂盐溶液混合，得到前驱体悬浊液；其中，所述第一分散剂和所述第二分散剂为同一分散剂。
其中，对所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理的步骤包括：
将所述前驱体悬浊液在流量为6.0-15.0ccm、进口温度为60-150℃、喷雾气压为0.1-1.0MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥。
其中，所述制备方法还包括：
对所述碳载铂催化剂粉体进行后处理，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
其中，对所述碳载铂催化剂粉体进行后处理的步骤包括：
将所述碳载铂催化剂粉体置于1M-5M的盐酸或者硝酸水溶液中，在20-80℃的温度下搅拌1-5h，之后过滤，再真空干燥。
本发明提供的又一技术方案为：
根据上述的制备方法制备的碳载铂催化剂粉体。
本发明提供的再一技术方案为：
一种燃料电池，包括上述碳载铂催化剂粉体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体，得到碳载铂催化剂粉体。由于单独的铂盐能够在氢气气氛、150-400℃的温度下发生还原反应，因此，将碳载铂前驱体粉体置于150-400℃的温度下进行还原处理，能够有效降低铂颗粒的团聚趋势，使得还原后的铂颗粒粒径处于1-5纳米内，从而保证碳载铂催化剂粉体的活性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的实施例1经过高温处理后的碳载体的高分辨透射电镜图；
图2为本发明的实施例1制备的碳载铂催化剂粉体的高分辨透射电镜图；
图3为本发明的实施例1制备的碳载铂催化剂粉体的循环伏安曲线图；
图4为本发明的实施例1制备的碳载铂催化剂粉体在旋转圆盘电极装置上测试的线性极化曲线图；
图5为本发明的实施例1制备的碳载铂催化剂粉体经过膜电极测试的极化曲线图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有技术中，碳载铂催化剂粉体的制备方法有许多种，能够规模化制备的主要有湿法化学还原法以及高温裂解法。湿法化学还原法是将铂盐、螯合剂以及表面活性剂和碳载体搅拌均匀，在还原剂的作用下将铂盐还原为铂颗粒，负载在碳载体上。该方法对设备要求低，但是制备的碳载铂催化剂粉体一般杂质含量高，需要进行后处理。高温裂解法是将含铂前驱体、碳载体混合均匀，在还原气氛下一次性还原制备成碳载铂催化剂粉体。该方法可以连续生产碳载铂催化剂粉体，但该方法对设备要求比较高，同时能耗非常高。
一般地，铂颗粒粒径越小，表示铂颗粒的数量越多，数量越多的铂颗粒的整体比表面积越大，使得碳载铂催化剂粉体的活性越强；反之，碳载铂催化剂粉体的活性越弱。
本发明提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，包括：在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体，得到碳载铂催化剂粉体。
由于单独的铂盐能够在氢气气氛、150-400℃的温度下发生还原反应，因此，将碳载铂前驱体粉体置于150-400℃的温度下进行还原处理，能够有效降低铂颗粒的团聚趋势，使得还原后的铂颗粒粒径处于1-5纳米内，从而保证碳载铂催化剂粉体的活性和稳定性。
本发明提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，包括以下步骤：
（1）对碳材料进行高温石墨化处理，得到碳载体；
（2）对碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理，得到前驱体悬浊液；
（3）对前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理，得到碳载铂前驱体粉体；
（4）对碳载铂前驱体粉体进行氢气热还原处理，得到碳载铂催化剂粉体。
在现有技术中，当高温碳化炉的升温速率低于10℃/min时，碳载体的生产率较低。当高温碳化炉的升温速率超过15℃/min时，最终形成的碳载体表面的孔结构容易存在坍塌的现象，将导致碳载体无法正常吸附铂颗粒，从而影响碳载铂催化剂粉体的活性。
对碳材料进行高温石墨化处理的步骤具体包括：将碳材料置于高温碳化炉中，在惰性气体保护下，以10-15℃/min的升温速率升至1000-2000℃并煅烧1-10h，之后冷却至室温，之后进行研磨。适当的升温速率，即可以保护碳载体原有的丰富孔结构，又可以保证碳载体的生产率。
其中，碳材料为Cabot Corporation公司的Vulcan XC-72和Black Pearls 2000、Akzo Nobel Chemicals公司的Ketjenblack EC-300J和Ketjenblack EC-600JD以及ToyoTanso公司的CNovel中的任一种。
在现有技术中，当碳载体在充满空气的高温碳化炉中煅烧时，由于空气中的氧气和氢气在特定条件下容易发生反应，因此存在一定的安全隐患。
优选的，将碳载体在充满惰性气体的高温碳化炉中煅烧。通过不易发生反应的惰性气体，从而提高高温碳化炉的安全性。
其中，惰性气体为氩气或者氮气。
在现有技术中，将碳载体加入去离子水中，得到第一悬浊液；向第一悬浊液中加入氯铂酸和甲酸，得到第二悬浊液。由于第一悬浊液已经处于悬浊状态，再将氯铂酸加入第一悬浊液中，此时，无法获知氯铂酸是否完全溶解。当氯铂酸未完全溶解时，最终得到的前驱体悬浊液中的铂盐无法均匀吸附在碳载体上，使得铂颗粒的整体比表面积较小，导致碳载铂催化剂粉体的活性较弱。
对碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理的步骤具体包括：将碳载体加入第一分散剂中，得到碳载体悬浊液；将铂盐加入第二分散剂中，得到铂盐溶液；将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，得到前驱体悬浊液；其中，第一分散剂和第二分散剂为同一分散剂。
其中，铂盐包括六水合氯铂酸、乙酰丙酮铂、羟基铂酸、四氨合氯化铂(II)、二亚硝基二氨铂中的任一种。
具体地，将碳载体加入第一分散剂中并进行超声分散，得到碳载体悬浊液，其中，超声频率为40kHz，超声时间为0.5-1h。将铂盐加入第二分散剂中并进行超声分散，得到铂盐溶液，其中，超声频率为40kHz，超声时间为0.5-1h。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合并进行超声分散，得到前驱体悬浊液，其中，超声频率为40kHz，超声时间为0.5-1h。通过超声分散能够使碳载体在第一分散剂中均匀分散，通过超声分散能够使铂盐快速溶解到第二分散剂中。
通过单独配制碳载体悬浊液和铂盐溶液，能够更加直观的获知碳载体的分散情况以及铂盐的溶解情况，当碳载体均匀分散在第一分散剂中且铂盐完全溶解于第二分散剂中时，再混合单独配制的碳载体悬浊液和铂盐溶液，最终得到的前驱体悬浊液中的铂盐将均匀吸附在碳载体上，使得铂颗粒的整体比表面积较大，从而使碳载铂催化剂粉体的活性较强。
其中，第一分散剂和第二分散剂均包括以下至少之一：超纯水、无水乙醇、甲醇和异丙醇。
可以了解，铂盐用量是按照铂载量和碳载铂催化剂粉体重量进行换算得到的。其中，铂载量是指碳载铂催化剂粉体中含有铂的重量百分比。
举例说明，假如铂载量为50%，现在需要生产重量要100g的碳载铂催化剂粉体，因此需要50g的铂。假如铂盐中铂的占比为37.66%，因此最终的铂盐用量为50g/37.66%=132.76g。
在现有技术中，通过烘箱对前驱体悬浊液进行干燥处理时，由于前驱体悬浊液在干燥的过程中处于静止状态，随着时间的推移，碳载体会慢慢沉淀，因此会出现分层的现象，导致干燥后的碳载铂前驱体存在结块的问题。
对前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理的步骤具体包括：将前驱体悬浊液在流量为6.0-15.0ccm、进口温度为60-150℃、喷雾气压为0.1-1.0MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥。其中，单位ccm常用作实际状态下体积流量单位，全称为Cubic centimeterper minutes，即为cm3/min。
具体地，前驱体悬浊液由导管经流量计流至喷头，进入喷头的压缩空气为0.1-1.0MPa ，将前驱体悬浊液自喷头经涡流器利用离心力增速成雾滴喷入干燥室，再与热气流混合进行热交换后很快即被干燥。当开动鼓风机后，空气经滤过器、预热器加热至280℃左右，自干燥室上部沿切线方向进入干燥室，干燥室内一般保持120℃以下，已干燥的碳载铂前驱体粉体落入收集桶内，部分干燥的碳载铂前驱体粉体随热空气流进入分离室后捕集于布袋中，热废气由排气口排出。
通过喷雾干燥处理，使前驱体悬浊液被充分干燥，从而提高碳载铂前驱体粉体的良品率。
对碳载铂前驱体粉体进行氢气热还原处理的步骤具体包括：在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体。
效果如上，此处不再赘述。
在现有技术中，当氢气热还原的氢气浓度低于2vl%时，将导致铂盐无法全部还原。当氢气热还原的氢气浓度高于20vl%时，对还原仪器的精密性要求更高，不仅增加了成本，也增加了安全风险。
优选的，氢气热还原的氢气浓度为2vl%-20vl%，其中，单位vl%为体积浓度百分比。适当的氢气浓度，使得铂盐能够在较短的时间内全部还原，从而节省时间和经济成本。
在现有技术中，当氢气热还原的升温速率低于5℃/min时，将导致碳载铂前驱体粉体的生产率较低。当氢气热还原的升温速率超过5℃/min时，铂颗粒随着升温速率的增大，将导致铂颗粒的团聚趋势越严重，从而导致碳载铂催化剂粉体的活性越弱。
优选的，氢气热还原以5℃/min的升温速率升至150-400℃。适当的升温速率，不仅可以有效降低铂颗粒的团聚趋势，使得还原后的铂颗粒粒径处于正常范围内，从而保证碳载铂催化剂粉体的活性；也可以保证碳载铂前驱体粉体的生产率。
优选的，氢气热还原的煅烧时间为1-4h。
在现有技术中，最终制备的碳载铂催化剂粉体中含有未还原的铂盐，未还原的铂盐导电性较差。如果未还原的铂盐覆盖在完全还原的铂盐上，在催化反应的过程中，将导致碳载铂催化剂粉体的活性变弱。
制备方法还包括：（5）对碳载铂催化剂粉体进行后处理，得到最终的碳载铂催化剂粉体。通过去除碳载铂催化剂粉体中未还原的铂盐，使得碳载体上附着的全部是完全还原的铂盐，从而保证碳载铂催化剂粉体的活性。
对碳载铂催化剂粉体进行后处理的步骤具体包括：将碳载铂催化剂粉体置于1M-5M的盐酸或者硝酸水溶液中，在20-80℃的温度下搅拌1-5h，之后过滤，再真空干燥。其中，单位M为mol/L。
本发明提供了一种上述制备方法制备的碳载铂催化剂粉体。
本发明提供了一种燃料电池，包括上述制备方法制备的碳载铂催化剂粉体。
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-600JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1500℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体，结果如图1所示。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为150℃的条件下还原2h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体，结果如图2-3所示。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为2.9±0.4nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为320 mA/mgpt，电化学活性面积为80m2/gPt，结果如图4所示。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.25A/cm2@0.800V，1.20A/cm2@0.670V （测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100 kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2），结果如图5所示。
实施例2：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Black Pearls 2000碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为2000℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为15ccm、进口温度为90℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为200℃的条件下还原2.5h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为2.6±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为300 mA/mgpt，电化学活性面积为75m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.22A/cm2@0.800V，1.10A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
实施例3：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-300JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为2000℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为5ccm、进口温度为60℃、喷雾气压为0.2MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为300℃的条件下还原1h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为3±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为280mA/mgpt，电化学活性面积为70m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.21A/cm2@0.800V，0.99A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100 kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07 mg/cm2，阴极铂载量0.26 mg/cm2）。
实施例4：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Vulcan XC-72碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1800℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为400℃的条件下还原0.5h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为2.9±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为310 mA/mgpt，电化学活性面积为82m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.24A/cm2@0.800V，1.16A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
比较例1：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-600JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1500℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为100℃的条件下还原4h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为3.2±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为200 mA/mgpt，电化学活性面积为53m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.15A/cm2@0.800V，0.8A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
比较例2：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-600JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1500℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为120℃的条件下还原4h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为3.0±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为230 mA/mgpt，电化学活性面积为62m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.18A/cm2@0.800V，0.85A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
比较例3：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-600JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1500℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为420℃的条件下还原1h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为4.0±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为170 mA/mgpt，电化学活性面积为47m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.11A/cm2@0.800V，0.62A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
比较例4：
本实施例提供了一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，具体如下：
1. 高温石墨化处理：称取Ketjenblack EC-600JD碳载体200质量份，置于高温碳化炉中，在保护气体为氮气、温度为1500℃的条件下加热4h，之后自然冷却至室温，再进行研磨，得到碳载体。
2. 悬浊液配制处理：称取碳载体5质量份，加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到碳载体悬浊液。称取氯铂酸5质量份（根据铂载量50%进行换算），加入无水乙醇溶液1体积份，超声分散0.5h，得到铂盐溶液。将碳载体悬浊液和铂盐溶液混合，超声分散1 h，得到前驱体悬浊液。
3. 喷雾干燥处理：采用喷雾干燥技术，将前驱体悬浊液在流量为10ccm、进口温度为80℃、喷雾气压为0.1MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥，得到碳载铂前驱体粉体。
4. 氢气热还原处理：将碳载铂前驱体粉体在氢气浓度为5vl%、温度为480℃的条件下还原1h，得到碳载铂催化剂粉体。
5. 后处理：将碳载铂催化剂粉体置于4M盐酸中并在温度为60℃的条件下搅拌5h，之后过滤，再真空干燥，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
6. 性能测试：最终的碳载铂催化剂粉体中的铂载量为50%，铂颗粒粒径为5.3±0.5nm，在旋转圆盘电极测试氧还原反应的质量活性为120mA/mgpt，电化学活性面积为38m2/gPt。采用该碳载铂催化剂粉体组装的膜电极测试性能为0.06A/cm2@0.800V，0.56A/cm2@0.670V（测试条件：温度70℃，化学计量比氢气1.3/空气2.0，进口压强100kPa，湿度100%RH，阳极铂载量0.07mg/cm2，阴极铂载量0.26mg/cm2）。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，其特征在于，包括：
在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧碳载铂前驱体粉体，得到碳载铂催化剂粉体。
2.一种碳载铂催化剂粉体的制备方法，其特征在于，包括：
对碳材料进行高温石墨化处理，得到碳载体；
对所述碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理，得到前驱体悬浊液；
对所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理，得到碳载铂前驱体粉体；
对所述碳载铂前驱体粉体进行氢气热还原处理，得到碳载铂催化剂粉体，其中，所述氢气热还原处理包括：在氢气气氛下以150-400℃的温度煅烧所述碳载铂前驱体粉体。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氢气浓度为2vl%-20vl%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对碳材料进行高温石墨化处理的步骤包括：
将碳材料置于高温碳化炉中，在惰性气体保护下，以10-15℃/min的升温速率升至1000-2000℃并煅烧1-10h，之后冷却至室温，再进行研磨。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述碳载体和铂盐进行悬浊液配制处理的步骤包括：
将所述碳载体加入第一分散剂中，得到碳载体悬浊液；
将铂盐加入第二分散剂中，得到铂盐溶液；
将所述碳载体悬浊液和所述铂盐溶液混合，得到前驱体悬浊液；其中，所述第一分散剂和所述第二分散剂为同一分散剂。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述对所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥处理的步骤包括：
将所述前驱体悬浊液在流量为6.0-15.0ccm、进口温度为60-150℃、喷雾气压为0.1-1.0MPa的条件下喷出，并在热气流的作用下干燥。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
对所述碳载铂催化剂粉体进行后处理，得到最终的碳载铂催化剂粉体。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，对所述碳载铂催化剂粉体进行后处理的步骤包括：
将所述碳载铂催化剂粉体置于1M-5M的盐酸或者硝酸水溶液中，在20-80℃的温度下搅拌1-5h，之后过滤，再真空干燥。
9.根据权利要求2-8任一项所述的制备方法制备的碳载铂催化剂粉体。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的碳载铂催化剂粉体。
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