一種鐵磁燃料電池陰極電催化劑的制備方法與流程

本發明屬于燃料電池陰極電催化劑領域，具體涉及一種鐵磁燃料電池陰極電催化劑的制備方法。

背景技術：
燃料電池是一種不經過化學燃燒，通過電極反應方式將化學能直接轉變為電能的發電裝置。燃料電池作為一種新型化學電源，成為繼火電，水電與核電之后的第四種發電方式。燃料電池受到世界各國高度重視，各國紛紛投入巨資開發研究，以實現其商業化和普及化。在燃料電池中，電催化劑扮演著電化學反應“工廠”的作用，是電池中的核心材料，電催化劑的研制是燃料電池的關鍵之一。由于燃料電池中陰極氧還原的動力學過程緩慢，造成很高的過電位，因此目前電催化劑需要攻克的重點放在陰極氧還原上。氧分子具有與其它分子不同的、特殊的超順磁性。如果在陰極電催化劑與反應物氧分子之間有微磁場存在，則能提高氧還原反應的氧通量進而提高電催化活性。本發明利用鉑與鐵系金屬（鐵、鈷、鎳）在高溫下熱處理形成鐵磁催化劑，應用于氧還原時提高電極-反應物界面氧通量，從而降低陰極氧還原反應的過電位，提高催化活性。本發明采用的制備方法工藝簡單，原材料廉價，有利于批量生產。目前的文獻和公開的中國發明專利中沒有檢索到使用鐵磁電催化劑作為燃料電池氧還原催化劑的制備方法，因此本專利具有明顯的創新性。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種鐵磁燃料電池陰極電催化劑的制備方法，實現降低燃料電池陰極氧還原過電位和提高氧還原反應催化活性的目的。本發明通過以下技術方案實現。一種鐵磁燃料電池陰極電催化劑的制備方法，其包括如下步驟：(1)分別取氯鉑酸H2PtCl6·6H2O水溶液與過渡鐵系金屬鹽前驅體水溶液，加入檸檬酸鈉保護劑，攪拌均勻，然后加入碳載體材料，超聲攪拌均勻，最后加入硼氫化鈉水溶液還原前驅體，抽濾，將濾餅洗滌干凈，真空干燥，研磨后得到碳載燃料電池電催化劑；（2）將步驟（1）制備的碳載燃料電池電催化劑在惰性氣氛中進行熱處理，使電催化劑轉變成鐵磁催化劑，然后冷卻至室溫得到鐵磁燃料電池陰極電催化劑。上述制備中，步驟（1）所述的過渡鐵系金屬鹽前驅體水溶液指溶質為FeCl3·6H2O、CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O之一的水溶液。上述制備中，步驟（1）所述的氯鉑酸與過渡鐵系金屬鹽的摩爾比為0.5:1~2:1。上述制備中，步驟（1）所述的碳載體材料加入量滿足使最終制得的鐵磁燃料電池陰極電催化劑中活性金屬組分的質量百分比達到20%~40%。上述制備中，步驟（1）所述的檸檬酸鈉與氯鉑酸的摩爾比為2:1~5:1。上述制備中，步驟（1）所述的硼氫化鈉水溶液的濃度為0.1mol/L~0.5mol/L；硼氫化鈉與氯鉑酸的摩爾比為4:1~10:1。上述制備中，步驟（2）所述的惰性氣氛為Ar或N2。上述制備中，步驟（2）所述的熱處理是指在550℃~750℃條件下處理2h-4h或者在750℃~900℃條件下處理30min-60min。上述制備中，所述的熱處理是指從室溫開始以10℃/min升溫到所需的熱處理溫度，再進行熱處理。與現有技術相比，本發明的優勢是通過磁性催化劑產生的磁場效應和氧氣分子為超順磁的特點，增加電極/催化劑界面的氧通量，從而提高催化劑的活性。附圖說明圖1為鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）與碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）的磁滯曲線。圖2為鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）與碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）的氧還原催化性能曲線，其中a曲線表示碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）的氧還原催化性能，b曲線表示鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）的氧還原催化性能。圖3為鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtCo/C-800）與碳載燃料電池電催化劑（PtCo/C）的磁滯曲線。具體實施方式對比例1（1）按照H2PtCl6·6H2O與FeCl3·6H2O的摩爾比為1:1，分別取0.00386mol/L的氯鉑酸H2PtCl6·6H2O水溶液40mL與0.00386mol/L的過渡鐵系金屬鹽前驅體FeCl3·6H2O水溶液40mL置于燒杯中，按照檸檬酸鈉與氯鉑酸的摩爾比為2:1，加入0.0386mol/L的檸檬酸鈉保護劑8mL，攪拌均勻，然后加入XC-72碳載體材料156mg，超聲攪拌均勻，最后加入0.386mol/L的硼氫化鈉水溶液1.6mL還原前驅體（硼氫化鈉與氯鉑酸的摩爾比為4:1），抽濾，將濾餅洗滌干凈，真空干燥，研磨后得到碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C），其中活性組分PtFe在碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）中的質量百分比為20%。磁性能測試：從圖1可以看出，本對比例1制備得到的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）為明顯的超順磁催化劑。催化性能測試：從圖2中a曲線可以看出，本對比例1制備得到的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）的氧還原電流密度為5mA/mgPt（0.6V）。實施例1步驟（1）與對比例1完全相同。（2）將步驟（1）制備的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）在Ar氣氛中700℃熱處理2小時，室溫到700℃升溫速率為10℃/min，然后爐內冷卻至室溫得到鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700），其中活性金屬組分PtFe在鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）中的質量百分比為20%。磁性能測試：從圖1可以看出，本實施例1制備得到的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）有非常明顯的磁滯環，因此為明顯的鐵磁催化劑。催化性能測試：從圖2中b曲線可以看出，本實施例1制備得到的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-700）的氧還原電流密度為12.5mA/mgPt（0.6V），比對比例1提高2.5倍。對比例2（1）按照H2PtCl6·6H2O與FeCl3·6H2O的摩爾比為1:1，分別取0.00386mol/L的氯鉑酸H2PtCl6·6H2O水溶液40mL與0.00386mol/L的過渡鐵系金屬鹽前驅體FeCl3·6H2O水溶液40mL置于燒杯中，按照檸檬酸鈉與氯鉑酸的摩爾比為5:1，加入0.0386mol/L的檸檬酸鈉保護劑20mL，攪拌均勻，然后加入XC-72碳載體材料58mg，超聲攪拌均勻，最后加入0.386mol/L的硼氫化鈉水溶液4mL還原前驅體（硼氫化鈉與氯鉑酸的摩爾比為10:1），抽濾，將濾餅洗滌干凈，真空干燥，研磨后得到碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C），其中活性組分PtFe在碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）中的質量百分比為40%。實施例2步驟（1）與對比例2完全相同。（2）將步驟（1）制備的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）在Ar氣氛中800℃熱處理40min，室溫到800℃,升溫速率為10℃/min，然后爐內冷卻至室溫得到鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-800），其中活性金屬組分PtFe在鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-800）中的質量百分比為40%。磁性測試和催化性能測試：經過測試對比例2制備的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）為超順磁催化劑，而實施例2制備的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-800）為鐵磁催化劑；本實施例2制備得到的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtFe/C-800）的氧還原電流密度為20mA/mgPt（0.6V），比對比例2制備得到的碳載燃料電池電催化劑（PtFe/C）的電流密度5mA/mgPt提高3倍。對比例3（1）按照H2PtCl6·6H2O與CoCl2·6H2O的摩爾比為1：1，取0.00386mol/L的氯鉑酸H2PtCl6·6H2O水溶液40mL與0.00386mol/L的過渡鐵系金屬鹽前驅體CoCl2·6H2O水溶液40mL置于燒杯中，按照檸檬酸鈉與氯鉑酸的摩爾比為3:1加入0.0386mol/L的檸檬酸鈉保護劑12mL，攪拌均勻；然后加入XC-72碳載體材料92mg，超聲攪拌均勻；最后加入0.386mol/L的硼氫化鈉水溶液2.4mL還原前驅體（硼氫化鈉與氯鉑酸的摩爾比為6:1），抽濾，將濾餅洗滌干凈，真空干燥，研磨后得到碳載燃料電池電催化劑（PtCo/C），其中活性組分PtCo在碳載燃料電池電催化劑（PtCo/C）質量百分率為30%。磁性能測試：從圖3可以看出，本對比例3制備得到的碳載燃料電池電催化劑（PtCo/C）為明顯的超順磁催化劑。催化性能測試：本對比例3制備得到的碳載燃料電池電催化劑（PtCo/C）的氧還原電流密度為4mA/mgPt（0.6V）。實施例3步驟（1）與對比例2完全相同。（2）將步驟（1）制備的電催化劑在N2氣氛中800℃熱處理1小時，室溫到800℃升溫速率為10℃/min，然后爐內冷卻至室溫得到鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtCo/C-800），其中活性金屬組分PtCo在鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtCo/C-800）中的質量百分率為30%。磁性能測試：從圖3可以看出，本實施例3制備得到的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtCo/C-800）有明顯的磁滯環，因此為鐵磁催化劑。催化性能測試：本實施例3制備得到的鐵磁燃料電池陰極電催化劑（PtCo/C-800）的氧還原電流密度為6mA/mgPt（0.6V），比對比例3提高50%。