CN112823880A - 一种高金属载量的催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高金属载量的催化剂及其制备和应用，1)将导电碳载体分散在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；2)将铂前体溶解在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；3)将铂前体多元醇溶液与导电碳多元醇溶液均匀混合；4)升温至120‑160℃反应4‑10小时；5)降至20‑50℃，过滤，70‑90℃热水洗涤后烘干，研磨后得粉末状催化剂前体；6)将上述粉末状催化剂前体在还原性气氛中升温活化，得铂碳催化剂。该催化剂可用于燃料电池、石油化工、化学制药、汽车尾气净化等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高金属载量铂碳催化剂的制备方法与应用，该催化剂可用于燃料电池、石油化工、化学制药、汽车尾气净化等领域。
背景技术
铂催化剂在燃料电池、石油化工、化学制药、汽车尾气净化等领域具有广泛的应用。但铂储量有限，价格昂贵，极大的限制了铂催化剂的规模应用。通过物理或化学方法获得具有纳米尺寸的Pt纳米颗粒，并将其担载在不同的载体材料上，可大幅降低催化反应中Pt的使用量，提高Pt的利用效率，降低成本。如在质子交换膜燃料电池中，人们最早以非担载的Pt黑为电催化剂，Pt催化剂的颗粒尺寸约为几十到数百纳米，甚至达到微米级别，单位质量Pt催化剂的活性面积小，导致每平方厘米电极中Pt的用量高达数十乃至数百毫克，极大的限制了燃料电池的发展；后来人们通过改进催化剂制备技术和电极的成型工艺，采用了碳担载的铂纳米催化剂，大幅提高了铂的利用效率，大大降低了燃料电池成本，推进燃料电池的商业化进程。
电催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极的核心材料。与传统催化反应不同，燃料电池电极反应需涉及到多电子传递、迁移步骤，因此铂碳催化剂必须采用导电性能好的碳载体材料。与传统的氧化物、活性碳载体不同，导电碳载体材料的石墨化程度较高，表面官能团少，催化剂制备过程中载体与活性组分之间作用力弱，不利于Pt纳米催化剂后续沉积担载；此外，为了改善燃料电池膜电极的放电性能，一般需要采用高金属载量的电催化剂以降低催化层的厚度，减少燃料电池放电过程中的传质极化损失。表面惰性的导电碳载体和高的金属载量的需求使得铂碳电催化剂的制备具有极大的挑战性。
离子交换法和浸渍-还原法是制备担载型铂碳催化剂的常用方法。但由于石墨碳载体表面惰性，催化剂制备过程中载体表面溶剂化困难，碳载体难以在水中均匀分散；此外载体表面官能团少，可供Pt前体离子交换或吸附位置有限，因此上述方法在制备高金属载量的铂碳催化剂过程中(>20wt％)具有一定难度，导致所制备的Pt碳催化剂的金属载量较低，Pt纳米颗粒在碳载体表面分散性差，且颗粒粒径较大，分布范围较宽；为降低Pt纳米催化剂的尺寸，改善Pt纳米颗粒在碳载体表面的分散性，离子交换法和浸渍还原法制备铂碳催化剂时常采用稀溶液进行多次交换和浸渍反应，反应过程复杂且催化剂制备效率低下，生产能力小(<1g/L)。针对上述问题，本发明以有机小分子多元醇为反应溶剂，与极性水溶剂相比，石墨碳载体在弱极性多元醇溶液中分散性好，团聚小，利于后续Pt纳米颗粒在碳载体表面的均匀沉积；其次，利用乙二醇中羟基的弱还原性，可实现Pt纳米颗粒成核和生长步骤的在时间上的分离；基于反应体系中体系pH值的精细调控和合成参数的优化，可实现乙二醇在Pt纳米颗粒表面的原位聚合反应，形成的聚乙二醇可保证高浓度Pt纳米胶体的稳定存在，进而实现高金属载量的铂碳催化剂的高效制备，所制备铂碳催化剂中铂纳米粒子的粒径约为2-5纳米，均匀分散在碳载体表面，生产能力达到5-10g/L；所制备高金属载量的铂碳催化剂的载量范围为40-90wt％，具有较好的催化活性，有望应用于燃料电池、电化学传感器、石油化工、化学制药、汽车尾气净化等领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高金属载量铂碳催化剂及其制备方法。本发明以含有C2-C4结构的多元醇为溶剂和还原剂，不外加任何长碳链的表面活性剂物质，操作简单，反应条件温和，容易放大合成。所制备的高载量铂碳催化剂中铂在碳载体上负载量范围为40-90wt％；铂纳米粒子的粒径约为2-5纳米，均匀分散在碳载体表面；生产能力可达5-10g/L。
本发明提供了一种高金属载量铂碳催化剂的制备方法，具体步骤如下：
1)将导电碳载体分散在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；
2)将铂前体溶解在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；
3)将铂前体多元醇溶液与导电碳多元醇溶液均匀混合；
4)升温至120-160℃反应4-10小时；
5)降至20-50℃，过滤，70-90℃热水洗涤后烘干，研磨后得粉末状催化剂前体；
6)将上述粉末状催化剂前体在还原性气氛中升温活化，得铂碳催化剂。
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法中，所述多元醇包括乙二醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇、异戊二醇中的一种或多种的混合物；
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法中，所述导电碳载体包括碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、还原的氧化石墨烯、中孔碳中的一种或多种的混合物，载体的比表面积为200～2500m2/g；步骤(3)混合后导电碳载体在多元醇中的浓度为1-5g/L。
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法中，所述铂金属前体为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、乙酰丙酮铂、二氨基二硝基铂中的一种或多种；步骤(3)混合后铂前体在多元醇中的质量浓度(铂前体以纯Pt计)为1-5g/L。
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法中，其特征在于：
步骤(1)中所述导电碳载体多元醇溶液的pH为9-12；
步骤(2)中所述Pt前体多元醇溶液的pH为9-12；
调节pH值所采用碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
6、本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法中，所述还原性气氛中升温活化的活化温度区间为100-500℃，还原性气氛为氢气，或氢气与氮气、氩气、氦气中一种或二种以上的混合气，氢气体积浓度5-100％。
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)混合后导电碳载体和铂前体(铂前体以纯Pt计)的浓度之和为5-10g/L(优选为5-8g/L)。
本发明提供的所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所制备高金属载量的铂碳催化剂中Pt与碳的质量比范围为4:6-9:1(优选5:5-6:4)；所制备铂碳催化剂中铂纳米粒子的粒径约为2-5纳米。
与现有报道的担载型铂钯双金属催化剂的制备方法相比，本发明具有以下优点：
a)本发明基于有机小分子多元醇制备的高金属载量铂碳催化剂的步骤简单，操作方便、环境友好、耗时短。本发明中通过在碳载体和Pt金属前体的多元醇溶液中引入碱，在碳载体表面形成大量荷负电的成核点，保证了Pt在碳载体表面高载量沉积；乙二醇较弱的还原能力保证了Pt纳米颗粒成核和生长步骤在时间尺度上的有效分离，利于Pt纳米颗粒尺寸的精细控制；反应体系中OH-的存在还有助于乙二醇在Pt纳米颗粒表面原位聚合，形成的聚乙二醇可以保证高浓度Pt胶体的稳定存在，保证了高载量铂碳催化剂的生产能力的提高。
b)采用所述方法制备的高金属载量铂碳催化剂的金属载量范围为40-90wt％，生产能力达5-10g/L；
c)所制备铂碳催化剂中铂纳米颗粒的粒径约为2-5纳米，均匀分散在碳载体表面；没有散落和团聚；
d)有较好的催化活性，可用于燃料电池、电化学传感器、金属空气电池等领域。
附图说明：
图1是本发明对比例1所得Pt/XC-40wt％-对比样1的透射电镜(TEM)照片。
图2是是本发明对比例2所得Pt/XC-40wt％-对比样1的透射电镜(TEM)照片。
图3是本发明实施例1所得XC-72R碳担载型的Pt/C-40％铂碳催化剂的透射电镜(TEM)照片。
图4是本发明实施例2所得EC-300J碳担载型的Pt/C-60％铂碳催化剂的透射电镜(TEM)照片。
图5是本发明实施例3所得EC-600J碳担载型的Pt/C-60％铂碳催化剂的透射电镜(TEM)照片。
图6是本发明实施例4所得EC-600J碳担载型的Pt/C-80％铂碳催化剂的透射电镜(TEM)照片。
图7是本发明实施例5所得r-GO担载型的Pt/C-40％铂碳催化剂的透射电镜(TEM)照片。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做具体的说明。
对比例1：Pt/XC(40wt％)，不调节碳载体溶液的pH
首先将100毫克Vulcan XC-72R碳粉分散在15毫升乙二醇中，超声分散均匀后备用，将15毫升包含有180毫克H2PtCl6 6H2O的铂前体溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将XC-72碳的乙二醇溶液和氯铂酸的乙二醇碱性溶液混合，室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至150℃，恒温反应5个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中200℃活化30min，得到Pt/XC-40wt％-1催化剂，其中Pt和碳的质量比为4:6，该样品标记为Pt/XC-40wt％-对比样1，该样品的TEM图片见图1，平均粒径5nm，粒径分布为5±10nm。
对比例2：Pt/XC(40wt％)，不调节Pt前体溶液的的pH
首先将100毫克Vulcan XC-72R碳粉分散在15毫升乙二醇中，超声分散均匀加入NaOH调节反应体系的pH至12备用，将15毫升包含有180毫克H2PtCl6 6H2O的铂前体溶液中与上述XC-72碳的乙二醇碱性溶液混合，室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至150℃，恒温反应5个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中500℃活化30min，得到Pt/XC-40wt％-1催化剂，其中Pt和碳的质量比为4:6，该样品标记为Pt/XC-40wt％-对比样2，该样品的TEM图片见图2，平均粒径5nm，粒径分布为5±3nm。
实施例1：
将100毫克Vulcan XC-72R碳粉分散在15毫升乙二醇中，超声分散均匀后利用NaOH调节溶液的pH至12备用，将15毫升包含有180毫克H2PtCl66H2O的铂前体乙二醇溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将两个溶液混合均匀，然后在室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至150℃，恒温反应6个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中100℃活化30min，得到Pt/XC-40wt％催化剂，其中Pt和碳的质量比为4:6,催化剂生产能力为5g/L。图3为获得的Pt/C催化剂的TEM照片，由图3可以看出，平均粒径2.0nm，粒径分布为2.0±0.5nm，Pt纳米颗粒均匀分散在XC-72R碳载体表面，没有的颗粒聚集和散落现象。将所得到的催化剂采用旋转圆盘电极进行电化学活性评价，具体步骤如下：准确称量5mg左右所制的Pt/XC催化剂，与30微升Nafion(5wt％)溶液与5毫升乙醇混合，超声得到均匀分散的催化剂浆液，然后移取10微升催化剂浆液涂覆在面积为0.19625平方厘米的的玻碳旋转圆盘电极上，烘干即得到工作电极。催化剂电化学活性面积的测试方法为在通有高纯氮气的0.1摩尔每升的高氯酸水溶液中记录催化剂的循环伏安(CV)曲线，具体做法为以50mV/s的扫速从0伏扫描到1.2伏。通过CV曲线上氢吸附-脱附峰区的电量积分面积可以计算出对应的电化学活性面积(ECSA)。氧还原活性的测试方法为在通氧气饱和的0.1M高氯酸水溶液中以10mV/s的扫速从0伏扫描到1伏得到氧还原曲线。计算所得的Pt/C催化剂的ECSA和0.9伏(vs.RHE)的电极电势下的氧还原反应的比质量活性分别为60m2/g和200mA/mgPt，明显优于商品Pt/C样品(45m2/g和150mA/mgPt)和对比例样品。
实施例2：
将200毫克EC-300J科琴导电碳粉分散在25毫升乙二醇中，超声分散均匀后利用NaOH调节溶液的pH至12备用，将25毫升包含有810毫克H2PtCl6 6H2O的铂前体乙二醇溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将两个溶液混合均匀，然后在室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至150℃，恒温反应6个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中400℃活化30min，得到Pt/EC-300J-60wt％催化剂，其中Pt和碳的质量比为6:4。催化剂生产能力为10g/L。图4为获得的Pt/C催化剂的TEM照片，由图4可以看出，所制备铂碳催化剂中Pt纳米催化剂的平均粒径2.3nm，粒径分布为2.3±0.5nm，Pt纳米颗粒均匀分布在EC-300J科琴导电碳载体表面，没有的颗粒聚集和散落现象。将所得到的催化剂采用旋转圆盘电极进行电化学活性评价，具体步骤同实施例1所得的Pt/EC300J-60wt％催化剂的ECSA和0.9伏(vs.RHE)的电极电势下的氧还原反应的比质量活性分别为45m2/g和180mA/mgPt，明显优于商品Pt/C样品和对比例样品。
实施例3：
将200毫克EC-600J科琴导电碳粉分散在25毫升乙二醇中，超声分散均匀后利用NaOH调节溶液的pH至12备用，将25毫升包含有810毫克H2PtCl6 6H2O的铂前体乙二醇溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将两个溶液混合均匀，然后在室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至140℃，恒温反应8个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中500℃活化30min，得到Pt/EC-300J-60wt％催化剂，其中Pt和碳的质量比为6:4。催化剂生产能力为10g/L。图5为获得的Pt/C催化剂的TEM照片，由图5可以看出，所制备铂碳催化剂中Pt纳米催化剂的平均粒径2.1nm，粒径分布为2.1±0.6nm，Pt纳米颗粒均匀分布在EC-600J科琴导电碳载体表面，没有的颗粒聚集和散落现象。将所得到的催化剂采用旋转圆盘电极进行电化学活性评价，具体步骤同实施例1所得的Pt/EC600J-60wt％催化剂的ECSA和0.9伏(vs.RHE)的电极电势下的氧还原反应的比质量活性分别为50m2/g和190mA/mgPt，明显优于商品Pt/C样品和对比例样品。
实施例4：
将200毫克EC-600J科琴导电碳粉分散在100毫升乙二醇中，超声分散均匀后利用NaOH调节溶液的pH至12备用，将100毫升包含有2700毫克H2PtCl6 6H2O的铂前体乙二醇溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将两个溶液混合均匀，然后在室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至130℃，恒温反应10个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中300℃活化30min，得到Pt/EC-600J-80wt％催化剂，其中Pt和碳的质量比为8:2。催化剂生产能力为5g/L。图4为获得的Pt/C催化剂的TEM照片，由图6可以看出，所制备铂碳催化剂中Pt纳米催化剂的平均粒径2.6nm，粒径分布为2.6±0.6nm，Pt纳米颗粒均匀分布在EC-600J科琴导电碳载体表面，没有的颗粒聚集和散落现象。将所得到的催化剂采用旋转圆盘电极进行电化学活性评价，具体步骤同实施例1所得的Pt/EC300J-80wt％催化剂的ECSA和0.9伏(vs.RHE)的电极电势下的氧还原反应的比质量活性分别为40m2/g和180mA/mgPt，明显优于商品Pt/C样品和对比例样品。
实施例5：
将200毫克还原的氧化石墨烯分散在15毫升乙二醇中，超声分散均匀后利用NaOH调节溶液的pH至12备用，将15毫升包含有180毫克H2PtCl66H2O的铂前体乙二醇溶液中加入NaOH调节反应体系的pH至12，将两个溶液混合均匀，然后在室温下磁力搅拌反应30分钟后，升温至150℃，恒温反应6个小时。反应完成后，降至室温，利用2升的热去离子水多次抽滤、洗涤；将滤饼放入真空烘箱中60℃干燥10小时，将该样品在5vol％H2-95vol％Ar气氛中100℃活化30min，得到Pt/RGOJ-40wt％催化剂，其中Pt和碳的质量比为6:4。催化剂生产能力为5g/L。图7为获得的Pt/C催化剂的TEM照片，由图4可以看出，所制备铂碳催化剂中Pt纳米催化剂的平均粒径2.8nm，粒径分布为2.8±1.0nm，Pt纳米颗粒均匀分布在还原的氧化石墨(r-GO)上，没有的颗粒聚集和散落现象。将所得到的催化剂采用旋转圆盘电极进行电化学活性评价，具体步骤同实施例1，所得的Pt/RGOJ-40wt％催化剂的ECSA和0.9伏(vs.RHE)的电极电势下的氧还原反应的比质量活性分别为50m2/g和180mA/mgPt，明显优于商品Pt/C样品和对比例样品。
Claims (10)
1.一种高金属载量铂碳催化剂的制备方法，具体步骤如下：
1)将导电碳载体分散在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；
2)将铂前体溶解在多元醇溶液中，调节溶液的pH值大于等于9；
3)将铂前体多元醇溶液与导电碳多元醇溶液均匀混合；
4)升温至120-160℃反应4-10小时；
5)降至20-50℃，过滤，70-90℃热水洗涤后烘干，研磨后得粉末状催化剂前体；
6)将上述粉末状催化剂前体在还原性气氛中升温活化，得铂碳催化剂。
2.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所述多元醇包括乙二醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇、异戊二醇中的一种或多种的混合物。
3.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所述导电碳载体包括碳黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、还原的氧化石墨烯、中孔碳中的一种或多种的混合物，载体的比表面积为200～2500m2/g；步骤(3)混合后导电碳载体在多元醇中的浓度为1-5g/L。
4.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所述铂金属前体为氯铂酸、氯铂酸钾、氯铂酸钠、乙酰丙酮铂、二氨基二硝基铂中的一种或多种；步骤(3)混合后铂前体在多元醇中的质量浓度(铂前体以纯Pt计)为1-5g/L。
5.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述导电碳载体多元醇溶液的pH为9-12；
步骤(2)中所述Pt前体多元醇溶液的pH为9-12；
调节pH值所采用碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
6.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所述还原性气氛中升温活化的活化温度区间为100-500℃，还原性气氛为氢气，或氢气与氮气、氩气、氦气中一种或二种以上的混合气，氢气体积浓度5-100％。
7.按照权利要求1、4-6任一所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)混合后导电碳载体和铂前体(铂前体以纯Pt计)的浓度之和为5-10g/L(优选为5-8g/L)。
8.按照权利要求1所述高金属载量铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：所制备高金属载量的铂碳催化剂中Pt与碳的质量比范围为4:6-9:1(优选5:5-6:4)；所制备铂碳催化剂中铂纳米粒子的粒径约为2-5纳米。
9.一种权利要求1-8任一所述制备方法制备获得的高金属载量铂碳催化剂。
10.一种权利要求9所述高金属载量铂碳催化剂在燃料电池中的应用。
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