本技术介绍了一种新型高压缩应变铂合金纳米材料的制备方法及其在燃料电池催化剂领域的应用。该材料通过水热合成或氢气还原热处理技术制备,实现了稀土氧化物纳米粒子在导电基底上的均匀沉积,显著提高了燃料电池的性能和稳定性。
背景技术
能源短缺和化石能源消耗带来的环境问题是人类发展清洁能源的主要驱动力。使用氢气作为燃料的氢氧燃料电池以及使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池具有能量转换效率高、零污染排放及环境友好等特点,属于当今最重要的清洁能源电池,也被认为是解决能源和环境问题的途径之一。这两种新型能源电池需要大量的Pt纳米材料催化氧还原以及甲醇氧化反应,然而Pt纳米材料面临成本高、电催化动力学缓慢、易CO中毒和奥尔斯瓦特熟化等导致的催化活性低和稳定性差等诸多挑战。
众多研究表明,Pt与过渡金属M(M=Ni、Co、Fe及Ru等)合金化是提高Pt纳米催化材料催化活性和稳定性以及降低材料成本的最有效途径之一。Pt与M的合金化是指原子半径比Pt原子半径小的过渡金属M融入Pt的晶格之中形成Pt-M金属键并导致Pt晶格常数减小产生压缩应变,在配体效应和应变效应作用下,过渡金属M通过优化Pt的电子结构来调节含氧中间物种的吸附强度,从而提高Pt合金材料的催化性能。由此,提高Pt合金材料的催化性能的策略之一,既是要提高Pt合金材料的合金化程度。Pt合金的合金化程度越高,越多过渡金属融入Pt的晶格中,使Pt晶格常数减小越多,从而产生更高压缩应变,进而对Pt合金材料催化性能提升的促进效果更好。
当前,碳载Pt合金纳米催化材料的制备方法主要是同时还原Pt盐前驱体分子和过渡金属前驱体分子,使Pt与过渡金属形成合金并沉积在碳载体上获得PtM合金纳米催化材料,但是要使尽可能多的过渡金属融入Pt中以提高PtM合金的合金化程度来制备Pt合金纳米粒子尺寸小(<8nm)且具有高压缩应变的Pt合金纳米材料十分困难。究其原因,主要是Pt(0.799V)的还原电位与Ni(-0.29)、Co(-0.282V)、Fe(-0.447V)及Ru(-1.33V)等过渡金属的还原电位相差大,Pt被还原的速率快而过渡金属被还原的速率慢。在Pt离子和过渡金属离子被还原形成PtM合金过程中,Pt原子的成核长大速率快而过渡金属原子的成核长大速率慢,使得融入Pt晶格中的过渡金属原子数量少,仍然会残留大量过剩的未合金化的过渡金属,最终导致制备出的PtM合金合金化程度低,难以获得纳米粒子尺寸小且具有高压缩应变的Pt合金纳米材料。对此,目前主要通过:(1)选用具有强还原性的化学试剂(如:硼氢化钾,丁基锂)和提高热处理温度;(2)在PtM合金制备过程中,加大过渡金属与Pt的投料比例,即添加过量的过渡金属以解决前述问题。然而,使用强还原剂和提高热处理温度会导致PtM合金纳米粒子尺寸长大,而加大过渡金属投料比例会导致制备过程会留下过多的未合金化过渡金属,除去这些残余金属会引起环境污染和成本增加。
因此,有必要提供一种高压缩应变铂合金纳米材料及其制备方法和应用,通过提高融入Pt晶格中过渡金属的量,提高Pt和过渡金属的合金化程度,制备得到高压缩应变的铂合金纳米材料,使铂合金纳米材料的催化活性、稳定性等性能得到提升,使其应用于氢氧燃料电池以及甲醇燃料电池中,可以更加有效、长效起到催化作用,从而有助于燃料电池使用性能的提升。
实现思路