本技术领域涉及燃料电池催化剂技术,特别是一种高耐久性Pt合金催化剂的制备方法及其在燃料电池中的应用。该高耐久性Pt合金催化剂制备过程包含多个关键步骤,旨在提升燃料电池的性能和寿命。
背景技术
氢燃料电池因高效、清洁、无碳等优点成为未来能源脱碳的重要方向。催化剂是燃料电池的核心材料之一,占燃料电池电堆成本的40%以上,其中以氢燃料电池阴极端为主,需要使用大量铂(Pt)基催化剂来催化氧还原反应(ORR),然而,铂基催化剂存在活性低、耐久性差、用量大以及成本高的问题,严重阻碍氢燃料电池的大规模产业化(Liang etal.Science 374,6566(2021).)。因此,降低Pt的用量,是氢燃料电池发展必须解决的问题,然而,随着催化剂层中铂含量的降低,会不可避免地出现电压损失增加,从效率角度看会导致较差的氢燃料电池性能。鉴于此,科研人员开发出具有较小活化极化电压损失的先进Pt基催化剂,因其较高的质量活性可以补偿低Pt阴极在高电位区域的电压损失(Liang etal.Nat Commun 14,5896(2023).)。减小催化剂的尺寸,构造超细纳米Pt基催化剂,使其具有高的电化学活性面积(ECSA),对于在降低Pt的负载量下,提供足够的催化位点,是必不可少的。然而,具有高的表面积-体积比的超细小纳米颗粒在热力学上是亚稳定的,稳定性难以满足要求(Huang et al.Nat.Nanotechnol.17,968-975(2022).),一是在高温下,由于表面能随着粒径的减小而急剧增加,金属纳米颗粒有很强的烧结倾向。二是,在长期操作中,易于发生显著的尺寸增长或金属溶解,这种烧结、尺寸增长以及金属溶解都会不可避免地导致活性金属表面积的损失,从而导致催化剂失活(Yin et al.Nat Commun 12,4865(2021).)。
催化剂的表面原子结构和组成对铂基催化剂的电催化性能起着至关重要的作用(Wang et al.Adv.Sci.7,1901279(2020).)。通常,通过将Pt与Fe、Co、Ni、Cu和Mn等过渡金属(Pt-M)合金化来减少铂的使用,与Pt/C催化剂相比,Pt-合金尤其是有序的金属间化合物由于其具有更多的压缩晶胞和更高的形成焓而展现出显著增强的ORR活性与耐久性(Wu etal.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A118,e2104026118(2021).)。然而,在酸性氢燃料电池运行中,Pt-M合金催化剂中过渡金属原子会因氧化、腐蚀以及芬顿反应等因素快速浸出导致催化剂骨架的坍塌,特别是对于粒径不均匀的催化剂,这严重损害了它们的质量活性,并最终降低了寿命。因此,Pt合金催化剂在氢燃料电池中的长程稳定性的实现面临十分严峻的挑战,要求在纳米催化剂的设计中兼顾催化剂尺寸的超细小以及卓越的稳定性。
因此,需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
实现思路