铂合金催化材料及其制备方法、膜电极组件及燃料电池

本申请涉及燃料电池领域，特别是涉及一种铂合金催化材料及其制备方法、膜电极组件及燃料电池。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种新型的驱动电源，主要由阳极、阴极和膜电极组件组成，其中膜电极组件主要由质子交换膜、催化剂层和扩散层组成，其工作机理是在膜电极组件中催化剂层中催化剂的辅助下，在阳极与阴极上分别发生氢气的氧化反应以及氧气的还原反应，将还原剂(氢气)与氧化剂(氧气)的化学能转换为电能。

2、与目前锂电池电动车相比，锂电池需充电较长时间，续航300km以上，而将质子交换膜燃料电池应用至电动车，仅需充氢气，且仅需几分钟，即可实现续航650km以上，以及质子交换膜燃料电池还具有零排放、能量效率高、功率可调等特点，在未来电动汽车中具有广阔的应用前景。

3、然而，传统的质子交换膜燃料电池的稳定性较差，且主要使用贵金属pt为催化剂，其成本高昂，限制了大规模应用。

技术实现思路

1、基于此，本申请提供了一种稳定性较好，且可有效降低质子交换膜燃料电池成本的铂合金催化材料，同时提供了该铂合金催化材料的制备方法、包含该铂合金催化材料的膜电极组件及燃料电池。

2、本申请解决上述技术问题的技术方案如下。

3、本申请一方面提供了一种铂合金催化材料，包括载体和负载在所述载体表面的氮掺杂铂合金纳米线。

4、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，铂铜合金、铂铁合金和铂镍合金中的至少一种。

5、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述氮掺杂铂合金纳米线中的铂合金纳米线中，非铂金属元素占各金属元素总摩尔的25％-80％。

6、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述氮掺杂铂合金纳米线中的铂合金选自pt3cu、ptcu1、ptcu1.5、ptcu2、ptcu3、ptcu4、ptfe和ptni中的至少一种。

7、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述氮掺杂铂合金纳米线中的氮元素占所述氮掺杂铂合金纳米线的摩尔百分比为2％～4％。

8、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述氮掺杂铂合金纳米线的长度为30nm～60nm，直径为2nm～4nm。

9、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述载体为碳载体。

10、在其中一些实施例中，铂合金催化材料中，所述铂合金催化材料为n-ptcu3nws/c。

11、本申请另一方面提供了一种铂合金催化材料的制备方法，包括以下步骤：

12、将铂合金纳米线负载在载体表面后，在保护气氛下，通入氨气并于200℃～300℃下退火，使所述铂合金纳米线形成氮掺杂铂合金纳米线，得到所述铂合金催化材料。

13、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述铂合金纳米线的制备包括以下步骤：

14、将第一铂盐前驱体、表面活性剂、还原剂和第一溶剂混合进行第一液相合成反应，得到含铂纳米线的第一混合液；

15、将第二铂盐前驱体、非铂盐金属前驱体和第二溶剂混合均匀，得到第二混合液；

16、将所述第一混合液和所述第二混合液混合进行第二液相合成反应，得到铂合金纳米线。

17、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述第一铂盐前驱体和所述第二铂盐前驱体分别独立地选自二乙酰丙酮铂、氯铂酸和氯铂酸钾中的至少一种。

18、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述非铂盐金属前驱体中的金属元素选自cu、fe和ni中的至少一种。

19、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵和双十二烷基二甲基溴化铵中的至少一种。

20、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述还原剂选自葡萄糖、六羰基钨和六羰基钼中的至少一种。

21、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述第一溶剂和所述第二溶剂分别独立地选自油胺和十八烯中的至少一种。

22、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述第一铂盐前驱体和所述第二铂盐前驱体中铂元素的总摩尔量与所述非铂盐金属前驱体中的金属元素的摩尔比为1:(0.3～4.5)。

23、在其中一些实施例中，铂合金催化材料的制备方法中，所述第一液相合成反应和所述第二液相合成反应的温度分别独立地选自150℃～170℃。

24、相应地，本申请一方面还提供了一种膜电极组件，包括质子交换膜、阳极催化层和阴极催化层，所述阳极催化层和所述阴极催化层设于所述质子交换膜的两侧，所述阴极催化层包含上述铂合金催化材料或上述制备方法制得的铂合金催化材料。

25、本申请还提供了一种燃料电池，包括阳极板、阴极板和上述膜电极组件，所述阳极板设于所述阳极催化层远离所述质子交换膜的一侧，所述阴极板设于所述阴极催化层远离所述质子交换膜的一侧。

26、与现有技术相比较，本申请的铂合金催化材料具有如下有益效果：

27、上述铂合金催化材料，包括载体和负载在所述载体表面的氮掺杂铂合金纳米线，通过在铂合金纳米线中引入特定的p区非金属元素即n元素，一方面可提高对氧原子的吸附能力和降低对氧中间体的吸附能，从而有效提升铂合金催化材料的氧还原活性；另一方面，n元素掺入后与pt元素及合金中非铂金属元素m形成强的类共价键特征(n-m/n-pt)，可有效提升pt元素和m元素的空位形成能，减缓pt和m元素的溶解，从而有效提升铂合金催化材料的稳定性；同时纳米线结构可增大与载体接触的表面积，加强氮掺杂铂合金与载体之间的相互作用，从而进一步提升铂合金催化材料的稳定性。进一步地，纳米线结构能够提高表面pt原子占整体pt原子的比率，进而提高铂合金催化材料质量活性。本申请铂合金催化材料，通过在铂合金纳米线中引入特定的p区非金属元素n元素，当非铂金属元素m元素含量高达80％时，其催化性能依然较好，可有效减少pt元素的使用，故而有效降低燃料电池的成本。

28、经氧还原催化测试表明，上述铂合金催化材料的质量活性可达商业铂碳纳米催化剂的15.8倍，位点活性提高13.5倍；相比目前商用碳负载型的铂纳米催化剂，在氧气气氛下循环使用1万次后，质量活性损失达到73.7％，本申请提供的铂合金催化材料在氧气气氛下循环使用26万次后，质量活性几乎没有损失；进一步组装膜电极测试，阴极pt负载量为0.12mg/cm2时，质量活性在0.9v下可达到0.53a/mg，且长期循环测试10万圈，质量活性没有衰减，循环稳定性能较好，适用于商业化应用。

技术特征：

1.一种铂合金催化材料，其特征在于，包括载体和负载在所述载体表面的氮掺杂铂合金纳米线。

2.如权利要求1所述的铂合金催化材料，其特征在于，所述氮掺杂铂合金纳米线满足如下条件(1)～(5)中的至少一个：

3.如权利要求1～2任一项所述的铂合金催化材料，其特征在于，所述载体为碳载体。

4.如权利要求1所述的铂合金催化材料，其特征在于，所述铂合金催化材料为n-ptcu3nws/c。

5.一种铂合金催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的铂合金催化材料的制备方法，其特征在于，所述铂合金纳米线的制备包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的铂合金催化材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足如下条件(6)～(11)至少一个：

8.如权利要求5～7任一项所述的铂合金催化材料的制备方法，其特征在于，所述第一液相合成反应和所述第二液相合成反应的温度分别独立地选自150℃～170℃。

9.一种膜电极组件，其特征在于，包括质子交换膜、阳极催化层和阴极催化层，所述阳极催化层和所述阴极催化层设于所述质子交换膜的两侧，所述阴极催化层包含权利要求1～4任一项所述的铂合金催化材料或权利要求5～7任一项所述的制备方法制得的铂合金催化材料。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括阳极板、阴极板和权利要求9所述的膜电极组件，所述阳极板设于所述阳极催化层远离所述质子交换膜的一侧，所述阴极板设于所述阴极催化层远离所述质子交换膜的一侧。

技术总结
本申请涉及一种铂合金催化材料及其制备方法、膜电极组件及燃料电池，铂合金催化材料包括载体和负载在载体表面的氮掺杂铂合金纳米线。该铂合金催化材料的质量活性较高，稳定性能较好，且可有效减少Pt元素的使用，从而降低质子交换膜燃料电池的成本。

技术研发人员：黄宏文,高磊
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14