CN112186207B - 低铂/非铂复合催化剂及其制备方法 - Google Patents

低铂/非铂复合催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低铂/非铂复合催化剂及其制备方法，所述低铂/非铂复合催化剂以非铂催化剂为载体，铂纳米颗粒以原位还原的方式均匀负载于载体表面。本发明通过以醇为溶剂，碱性反应介质配体置换结合还原性气体煅烧还原铂前驱体形成所述纳米颗粒催化剂。本发明将铂基催化剂和非铂催化剂进行复合，将两者的优势互补，并利用两者之间的协同作用实现氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)性能最大化，从而能够大幅度降低铂用量。非Pt结合Pt基催化剂的超低Pt膜电极有助于质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs)实现在全电流区的高性能。

Description

低铂/非铂复合催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料，电化学技术以及燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种复合催化剂(Low-Platinum/Platinum-free Nanoparticles，LP/PF NPs)及其制备方法，尤其涉及一种低铂/非铂复合催化剂及其制备方法。
背景技术
由于社会发展对能源的需求与日俱增，且过去几百年来对化石能源的依赖造成严峻的环境问题，开发低碳、高效的清洁能源和能源转化方式是可持续发展的必由之路。由此氢能与氢燃料电池成为能源变革战略中的重要组成部分。质子交换膜燃料电池因其运行温度低、功率密度高、启动快、功率匹配速度快等优点受到广泛关注。然而其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢，尽管贵金属Pt被认为是最有效的催化剂，但其成本高，储量有限，该处催化剂成本占燃料电池总成本高达三分之一以上。美国能源部(DOE)报告指出车用PEMFC阴极Pt载量降低至0.1mg/cm2，才能形成和内燃机相比有力的竞争优势，实现大规模商业化应用。而该数值目前为0.4mg/cm2，于是降低Pt的用量，提高Pt基催化剂的ORR催化活性，成为亟需解决的问题。
使用非贵金属的氧还原反应催化剂因其价格低廉、原料来源丰富被广泛研究，但性能仍旧难以与铂基催化剂媲美。应用于电池中，因其体积比活性远远低于Pt基催化剂，导致阴极催化层厚度大大增加，体相扩散阻力增大，尤使得其在小电流区的性能不尽人意。但在大电流密度区，铂基催化剂存在的局域传质阻力造成的性能损失，非铂催化剂却能够由于活性位点多且分布均匀的优点得以改善。非铂载体上负载铂基纳米颗粒有望通过铂与非铂载体活性位点之间的协同作用，有效提高氧还原活性。综上所述，若结合非Pt和Pt基催化剂制备复合催化剂，则可以实现优劣势互补，实现在全电流区的高性能。
现有碳载铂基纳米颗粒催化剂多以热合成方法制备得到：先制备得到纳米颗粒，后通过物理方法负载到碳载体；或直接在载体上原位生长纳米颗粒。为了控制催化剂的纳米尺寸，同时避免由于纳米颗粒尺寸减小表面能增加带来的团聚问题，通常需要在还原性有机物溶剂中，或者添加强还原剂、封端剂、表面活性剂的体系中，在高温高压的反应条件下进行反应。这些方法得到的纳米颗粒催化剂面临表面有机物难以彻底清除，反应步骤繁杂，能耗高，成本高等限制大规模生产的问题。此外，高温高压和强还原剂易对非铂催化剂的活性位点产生影响，因此以开发规模化生产的、清洁的低铂/非铂复合催化剂制备方案为目的。
现有技术中，专利文献CN111082074A记载了一种多孔铂燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：将铂盐与非铂金属盐溶于水中，加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌，得到铂盐-非铂金属盐混合水溶液体系；在氮气的氛围下，向铂盐-非铂金属盐混合水溶液体系加入还原剂并搅拌；当溶液体系中的金属完全被还原后，加入载体；当金属负载完全后，离心洗涤干燥，得到负载型铂合金催化剂；将负载型铂合金催化剂加入酸性溶液中，进行酸处理；离心洗涤干燥，得到多孔铂燃料电池催化剂，具有铂利用率高、更高的燃料电池催化活性的优点。但其是以铂和非铂金属共同负载在载体上的技术方案，其所述非铂实际是铂以外的另一种金属元素(文献中特指过渡金属)，目的是与铂形成铂-过渡金属合金，之后通过酸刻蚀除掉表面的另一种金属，所以形成多孔的铂颗粒；且该种催化剂的载体是活性炭，为传统的碳载体，没有氧还原反应催化位点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有铂基催化剂和非铂催化剂各自的缺陷，提供了一种低铂/非铂复合催化剂及其制备方法以及在氧还原催化反应中的应用。本发明的催化剂将铂基催化剂和非铂催化剂的优势集中体现，大幅降低了催化剂中铂含量，铂与非铂载体直接的协同作用也能够实现催化性能进一步提升，是一种具有潜力的燃料电池阴极催化剂。
本发明中，所述催化剂的载体是非铂催化剂，而非传统的碳载体；所述非铂催化剂是具有氧还原反应(ORR)活性位点的非贵金属氧还原催化剂，由于其本身具有导电性和高比表面积，所以也可以用来作为载体，代替传统的商业碳载体；而铂也具有氧还原催化活性；本发明在非铂催化剂上面负载铂，将两者的优势结合起来(实现1+1＞2或＝2的效果)，可进一步增强催化剂的氧化还原反应性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种低铂/非铂复合催化剂，所述低铂/非铂复合催化剂以非铂催化剂为载体，铂纳米颗粒以原位还原的方式均匀负载于载体表面。
所述低铂/非铂复合催化剂即指的是低铂复合催化剂或非铂复合催化剂。
优选地，所述铂纳米颗粒的粒径为2～10nm。
优选地，所述低铂/非铂复合催化剂中非铂催化剂的质量百分比含量为90％～98％；铂纳米颗粒的质量百分比含量为2-10％；
所述非铂催化剂为过渡金属-氮-碳催化剂(M-N-C，M＝Fe，Co等)、不含金属的氮碳催化剂(N-C)、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物和氧氮化物中的一种或几种。
本发明还提供了一种低铂/非铂复合纳米颗粒催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
a、将非铂催化剂加入醇溶液中，超声、磁力搅拌使其充分分散形成均匀的悬浊液；
b、在步骤a制备的悬浮液中加入铂前驱体的水溶液，惰性气氛下加热到80～160℃，再加入碱溶液，磁力搅拌下反应2～3h；得到的产物进行充分过滤洗涤后干燥；得到低铂/非铂复合催化剂。
优选地，步骤a中，所述醇溶剂为乙醇(CH3CH2OH)、甲醇(CH3OH)、乙二醇((CH2OH)2)、异丙醇((CH3)2CHOH)中的一种或几种。
优选地，步骤a中，所述非铂催化剂与醇溶液的质量体积比为0.5mg:1mL～2mg:1mL，更优选为1mg:1mL。
优选地，所述铂前驱体为氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)、氯铂酸钠(Na2PtCl6·6H2O)、氯铂酸钾(K2PtCl6)、氯铂酸铵((NH4)2PtCl6)、四氯铂酸钾(K2PtCl4)、四氯铂酸铵((NH4)2PtCl4)中的一种或几种。
优选地，步骤b中，所述碱溶液为氢氧化钠(NaOH)水溶液、氢氧化钾(KOH)水溶液、氨水(NH3·H2O)中的一种或几种，但不限于此。
优选地，所述铂前驱体与碱的摩尔浓度之比为1：10；若小于该比值，溶液中的氢氧根不足以将铂盐的配体完成置换，催化剂的铂含量偏少；大于该比值，原料浪费。所述反应体系中铂与非铂催化剂的质量之比为0.02～0.45。
优选地，步骤c中，所述的洗涤方式包括微孔滤膜过滤洗涤、离心洗涤；所述干燥的方式包括真空干燥、冷冻干燥；
所述步骤b干燥以后，还包括步骤c：在还原气体/惰性气体混合气氛下，将干燥后的产物于150℃下，煅烧2h，所述还原气体/惰性气体混合气氛为H2/Ar混合气体。
本发明通过以醇为溶剂，碱性反应介质配体置换结合还原性气体煅烧还原铂前驱体形成所述纳米颗粒催化剂。本发明将铂基催化剂和非铂催化剂进行复合，能够将两者的优势互补，并可利用两者之间的协同作用实现氧还原反应(ORR)性能最大化，从而能够大幅度降低铂用量。非Pt结合Pt基催化剂的超低Pt膜电极有助于质子交换膜燃料电池(PEMFCs)实现在全电流区的高性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的制备方法清洁简单，避免了有机物残留；
2、本发明制备得到的催化剂具有低铂含量的特征(铂质量含量＜30wt％)，同时兼具铂基催化剂和非铂催化剂的性能，与相同体系中制备的商业碳为载体的催化剂相比，性能得到较大提升；
3、本发明的制备策略为高性能Pt-合金/非铂复合催化剂的开发制备奠定基础。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1制备的低Pt/非铂复合催化剂的不同放大倍数下的TEM照片；
图2为实施例1和对比例1制备的低Pt/非铂复合催化剂的测试结果；其中图2a为氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，N2饱和)；图2b为线性极化曲线(0.1M HClO4，O2饱和)；
图3为实施例2制备的低Pt/非铂复合催化剂的不同放大倍数下的TEM照片；
图4为实施例2制备的低Pt/非铂复合催化剂的测试结果；其中图4a为氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，N2饱和)；图4b为线性极化曲线(0.1M HClO4，O2饱和)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种低铂/非铂复合催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1.将50mg过渡金属-氮-碳催化剂(过渡金属为Fe)加入50mL乙醇溶液中，超声半小时充分分散形成均匀的悬浊液；向上述分散液中通高纯氮气0.5h，排除空气；
2.在氮气气氛下，以理论铂载量5％向1中所述分散液中加入氯铂酸水溶液：将1g氯铂酸溶解于超纯水中定容成250mL水溶液，Pt物质的量浓度是7.72mmol/L，5％理论载量得氯铂酸溶液的体积2.37mL。磁力搅拌下充分混合；
3.将步骤2制得的混合液加热到80℃，以10倍于Pt物质的量的OH-(即nPt:nOH-＝1:10)加入NaOH溶液，NaOH原溶液浓度是0.5mol/L，计算得到NaOH的体积为0.37mL；磁力搅拌下反应2h；
4.将步骤3中所得反应产物用水和乙醇多次抽滤洗涤，真空干燥12h；
6.将步骤4中所得干燥后产物在150℃下，H2/Ar(5％H2)气氛下还原2h，得到最终低铂/非铂复合催化剂产物。
实施例1所制备低铂/非铂复合催化剂(Pt/Fe-N-C-HR)的TEM如图1所示(左图尺标50nm、右图尺标20nm)，可知非铂催化剂载体上负载的铂纳米颗粒分布较均匀；制备的低铂/非铂复合催化剂中，非铂催化剂的质量百分比含量为97.96％、铂纳米颗粒为2.04％。制备的催化剂的氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，N2饱和)和线性极化曲线(0.1MHClO4，O2饱和)如图2所示。旋转圆盘电极电化学性能测试结果：在0.9V(vs.RHE)下测得的质量比活性为0.36A/mgPt，ECSA为885cm2/mgPt。
实施例2
本实施例涉及一种低铂/非铂复合催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1.将50mg过渡金属-氮-碳催化剂(过渡金属为Fe)分散在50mL乙二醇溶液中，超声半小时，充分分散形成悬浊液；
2.在步骤1的悬浊液中加入1.42mL的H2PtCl6-乙二醇溶液(质量分数40g/L)，磁力搅拌混合均匀；
3.空气中，持续磁力搅拌，在步骤2得到的混合溶液中加入2.84mLNaOH-乙二醇溶液(质量分数0.0155g/L)，160℃反应3h；
4.步骤3的反应产物通过离心多次洗涤，60℃真空干燥12h，得到Pt/FeNC-EG样品。
实施例2所制备低铂/非铂复合催化剂的TEM如图3所示(左图尺标20nm、右图尺标20nm)，可知非铂载体上负载的铂纳米颗粒分布均匀；制备的低铂/非铂复合催化剂中，非铂催化剂的质量百分比含量为92.61％、铂纳米颗粒为7.39％。制备的催化剂的氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，N2饱和)和线性极化曲线(0.1M HClO4，O2饱和)如图4所示。得到旋转圆盘电极电化学性能测试结果：在0.9V(vs.RHE)下测得的质量比活性为0.318A/mgPt，ECSA为1120cm2/mgPt。
对比例1
本对比例提供了一种复合催化剂的制备方法，具体步骤如下：
步骤1中，将50mg商业炭黑XC-72加入50mL乙醇溶液中，超声半小时充分分散形成均匀的悬浊液；向上述分散液中通高纯氮气0.5h，排除空气；
步骤2中，在氮气气氛下，以理论铂载量5％向1中所述分散液中加入氯铂酸水溶液：将1g氯铂酸溶解于超纯水中定容成250mL水溶液，Pt物质的量浓度是7.72mmol/L，5％理论载量得氯铂酸溶液的体积2.37mL。磁力搅拌下充分混合；
步骤3中，将2中所述混合液加热到80℃，以10倍于Pt物质的量的OH-(即nPt:nOH-＝1:10)加入NaOH溶液，NaOH原溶液是0.5mol/L，计算得到NaOH的体积为0.37mL；磁力搅拌下反应2h；
步骤4中，将3中所得反应产物用水和乙醇多次抽滤洗涤，真空干燥12h；
步骤5中，将4中所得干燥后产物在150℃下，H2/Ar(5％H2)气氛下还原2h，得到最终低铂/非铂复合催化剂产物。
对比例1所制备催化剂(Pt/XC-72-HR)的氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1MHClO4，N2饱和)和线性极化曲线(0.1M HClO4，O2饱和)如图2所示，结果表明电化学性能较差于以实施例1制备的催化剂。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，所述低铂/非铂复合催化剂以非铂催化剂为载体，铂纳米颗粒以原位还原的方式均匀负载于载体表面；
所述非铂催化剂为过渡金属-氮-碳催化剂、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物和氧氮化物中的一种或几种；
所述催化剂通过如下步骤制得：
a、将非铂催化剂加入醇溶液中，超声、磁力搅拌使其充分分散形成均匀的悬浊液；
b、在步骤a制备的悬浮液中加入铂前驱体的水溶液，惰性气氛下加热到80～160℃，再加入碱溶液，磁力搅拌下反应2～3h；得到的产物进行充分过滤洗涤后干燥；得到低铂/非铂复合催化剂；
所述步骤b干燥以后，还包括步骤c：在还原气体/惰性气体混合气氛下，将干燥后的产物于150℃下，煅烧2h，所述还原气体/惰性气体混合气氛为H2/Ar混合气体；
步骤a中，所述醇溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种；
所述铂前驱体与碱的摩尔浓度之比为1：10；所述反应体系中铂金属与非铂催化剂的质量之比为0.05～0.43。
2.根据权利要求1所述的低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，所述铂纳米颗粒的粒径为2～10nm。
3.根据权利要求1所述的低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，所述低铂/非铂复合催化剂中非铂催化剂的质量百分比含量为90％～98％；铂纳米颗粒的质量百分比含量为2-10％。
4.如权利要求1所述低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，步骤a中，所述非铂催化剂与醇溶液的质量体积比为1mg:1mL。
5.如权利要求1所述低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，所述铂前驱体为氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、氯铂酸铵、四氯铂酸钾、四氯铂酸铵中的一种或几种。
6.如权利要求1所述低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，步骤b中，所述碱溶液为氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水中的一种或几种。
7.如权利要求1所述低铂/非铂复合催化剂，其特征在于，步骤b中，所述的洗涤方式包括微孔滤膜过滤洗涤、离心洗涤；所述干燥的方式包括真空干燥、冷冻干燥。
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