一种钯合金催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池与流程

本申请涉及催化剂，尤其涉及一种钯合金催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池。

背景技术：

1、氢(h2)作为高能量密度(120-142 mj kg-1)、零碳排放的清洁能源载体，被认为是改变目前以化石燃料为主要能源结构的最有希望的二次能源载体，目前对氢的利用以氢燃料电池为主。燃料电池包括两个半反应，即阳极氢氧化反应(hor)和阴极氧还原反应(orr)，其中阴极反应因涉及四电子的转移，具有动力学过程缓慢的特点，而该特点使得阴极过电位较大，将降低燃料电池的整体工作效率。而在燃料电池的阴极反应过程中，其动力学过程的速度主要取决于所用催化剂的效率，因此发展高效的阴极催化剂对燃料电池反应整体效率提升十分重要。

2、目前高效的阴极催化剂以铂为主，而铂属于贵金属范畴，由于贵金属的稀缺特性以及高昂的使用成本，极大的限制铂类催化剂的大面积利用，但是降低铂的使用量势必会影响阴极氧还原反应的还原效率，因此降低贵金属材料的使用量的同时提高阴极氧还原效率，以克服贵金属的特性缺陷，这对燃料电池技术的普及十分重要。

技术实现思路

1、本申请提供了一种钯合金催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池，以解决现有技术中难以兼顾铂类催化剂的使用量和阴极氧还原反应的还原效率的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种钯合金催化剂，所述钯合金催化剂包括碳载体以及负载在所述碳载体上的钯合金，所述钯合金的化学成分包括钯和非贵金属；

3、其中，所述非贵金属的晶格常数＜所述钯的晶格常数。

4、可选的，所述非贵金属的晶格常数＜3.89å。

5、可选的，所述非贵金属和所述钯的摩尔比≥1。

6、可选的，所述非贵金属和所述钯的摩尔比为1～5。

7、可选的，所述非贵金属和所述钯的摩尔比为1～3。

8、可选的，所述非贵金属包括过渡金属。

9、可选的，所述过渡金属包括镍。

10、第二方面，本申请提供了一种钯合金催化剂的制备方法，所述制备方法用于制备第一方面所述的钯合金催化剂，所述制备方法包括：

11、分别于溶剂中溶解钯盐和非贵金属盐，后进行混合，得到金属前驱体溶液；

12、混合所述金属前驱体溶液和碳粉溶液，后加入还原体系进行还原反应，得到催化剂粗样物；

13、干燥所述催化剂粗样物，得到钯合金催化剂。

14、可选的，所述钯盐和所述非贵金属盐的摩尔比为1～5。

15、可选的，所述还原体系包括硼氢盐还原体系。

16、可选的，所述硼氢盐还原体系包括硼氢化合物和第一有机溶剂的混合体系。

17、可选的，所述还原反应的温度≥80℃。

18、可选的，所述混合所述金属前驱体溶液和碳粉溶液，后加入还原体系进行还原反应，得到催化剂粗样，包括如下步骤：

19、混合导电碳粉和含醇基团溶液，得到碳粉溶液；

20、所述混合所述金属前驱体溶液和所述碳粉溶液，并调节至目标酸碱度，后加入还原体系进行还原反应，并进行过滤，得到催化剂粗样物。

21、可选的，所述目标酸碱度≥11。

22、第三方面，本申请提供了一种膜电极，所述膜电极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂为第一方面所述的钯合金催化剂或第二方面所述的制备方法所得的钯合金催化剂。

23、可选的，所述膜电极还包括阳极催化剂和质子交换膜，所述阳极催化剂设于所述质子交换膜的一面，所述阴极催化剂设于所述质子交换膜的另一面。

24、可选的，所述阳极催化剂包括铂碳催化剂。

25、第四方面，本申请提供了一种制备第三方面所述的膜电极的方法，所述方法包括：

26、混合第二有机溶剂和正极催化剂，后加入全氟磺酸基聚合物进行分散，得到阳极催化层浆料；

27、混合所述第二有机溶剂和第一方面所述的钯合金催化剂，后加入所述全氟磺酸基聚合物进行分散，得到阴极催化层浆料；

28、在质子交换膜两侧分别涂覆所述阳极催化层浆料和所述阴极催化层浆料，并进行加热，得到膜电极。

29、可选的，所述阳极催化层浆料和所述阴极催化层浆料的用量比为3～4。

30、第五方面，本申请提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括第三方面所述的膜电极。

31、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

32、本申请实施例提供的一种钯合金催化剂，通过碳负载的钯金属电催化剂中引入非贵金属，并限定非贵金属的晶格常数小于钯的晶格常数，可以通过该非贵金属的加入减少钯原子之间的距离，这使得钯原子和非贵金属原子对氧的化学吸附键变得不稳定，有利于阴极氧还原反应的进行，同时在形成合金催化剂时钯金属和非贵金属之间会发生电子转移，使得钯原子d带中心降低，而通过降低钯的d带中心可以有效的改善该合金催化剂的化学吸附性质，从机理上加快阴极氧还原反应，因此通过该钯合金催化剂可以在降低贵金属使用量的同时还能提高阴极氧化还原反应的效率。

技术特征：

1.一种钯合金催化剂，其特征在于，所述钯合金催化剂包括碳载体以及负载在所述碳载体上的钯合金，所述钯合金的化学成分包括钯和非贵金属；

2.根据权利要求1所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述非贵金属的晶格常数＜3.89å。

3.根据权利要求1所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述非贵金属和所述钯的摩尔比≥1。

4.根据权利要求3所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述非贵金属和所述钯的摩尔比为1～5。

5.根据权利要求4所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述非贵金属和所述钯的摩尔比为1～3。

6.根据权利要求1所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述非贵金属包括过渡金属。

7.根据权利要求6所述的钯合金催化剂，其特征在于，所述过渡金属包括镍。

8.一种钯合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-7任一项所述的钯合金催化剂，所述制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述钯盐和所述非贵金属盐的摩尔比为1～5。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述还原体系包括硼氢盐还原体系。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述硼氢盐还原体系包括硼氢化合物和第一有机溶剂的混合体系。

12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述还原反应的温度≥80℃。

13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混合所述金属前驱体溶液和碳粉溶液，后加入还原体系进行还原反应，得到催化剂粗样，包括如下步骤：

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述目标酸碱度≥11。

15.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括阴极催化剂，所述阴极催化剂为权利要求1-7任一项所述的钯合金催化剂或权利要求8-14任一项所述的制备方法所得的钯合金催化剂。

16.根据权利要求15所述的膜电极，其特征在于，所述膜电极还包括阳极催化剂和质子交换膜，所述阳极催化剂设于所述质子交换膜的一面，所述阴极催化剂设于所述质子交换膜的另一面。

17.根据权利要求16所述的膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂包括铂碳催化剂。

18.一种制备如权利要求15-17任一项所述的膜电极的方法，其特征在于，所述方法包括：

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述阳极催化层浆料和所述阴极催化层浆料的用量比为3～4。

20.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求15-17任一项所述的膜电极。

技术总结
本申请涉及催化剂技术领域，尤其涉及一种钯合金催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池；所述钯合金催化剂包括碳载体以及负载在所述碳载体上的钯合金，钯合金的化学成分包括钯和非贵金属；其中，非贵金属的晶格常数＜钯的晶格常数；通过碳负载的钯金属电催化剂中引入非贵金属，并限定非贵金属的晶格常数小于钯的晶格常数，可以通过该非贵金属的加入减少钯原子之间的距离，有利于阴极氧还原反应的进行，同时在形成合金催化剂时钯金属和非贵金属之间会发生电子转移，使得钯原子d带中心降低，加快阴极氧还原反应，因此通过该钯合金催化剂可以在降低贵金属使用量的同时还能提高阴极氧化还原反应的效率。

技术研发人员：邹才能,李海龙,王寅晓,张林娟,王建强,汪淑娟,陈明
受保护的技术使用者：中石油深圳新能源研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8