鉑鎳合金催化劑的制備

李小慶，杜含雨，胡晉源，唐學秀，張 俊

（重慶化工職業學院化學工程系，重慶 400020）

鉑鎳合金催化劑的制備

李小慶，杜含雨，胡晉源，唐學秀，張 俊

（重慶化工職業學院化學工程系，重慶 400020）

綜述了質子交換膜燃料電池中陽極催化劑和陰極催化劑的進展，介紹了一種能抗CO的陽極催化劑Pt-Ni合金催化劑的制備。

質子交換膜燃料電池；陽極；陰極；鉑鎳合金催化劑

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新型環保電池，具備節能高效、安全可靠等特點。工作溫度一般在60～100℃，該電池的電解質為離子交換膜，燃料是氫氣或者重整氣，氧化劑為空氣或氧氣以及Pt/C。能將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化成電能進行發電。可用于電站、交通、可移動電源、潛艇等，市場前景廣，已接近商業化[1]。

質子交換膜燃料電池的陽極和陰極的有效催化劑以貴金屬鉑為主。電池的高成本，很大程度上限制了其廣泛的應用。如何降低鉑催化劑用量，找到能代替鉑的廉價催化劑，同時提高電極的催化劑性能是電極催化劑研究的主要目標。為了降低成本，陰、陽極催化劑大多選用合成催化劑。

1 陽極催化劑

陽極的H2燃料中混有雜質CO，其對貴金屬鉑催化劑的毒化作用非常強，因此要求陽極催化劑應具有一定的抗 CO中毒能力。催化劑對一氧化碳的耐毒能力的提高至關重要。

Tesung等[2]研究表明，某些元素（如S，Se，Te，Ir，Os，Sn，Pb，W和 Mo等）能與Pt通過形成合金或者被Pt吸附在表面的方式結合在一起，對甲醇或CO的陽進行極氧化。Pt-Ru催化氧化CO通過雙功能協同機理（Bifunctionalmechanism）進行，金屬Ru加入到Pt的晶格后，使CO在合金表面的吸附狀態發生變化，減小吸附能，達到活化吸附態CO的作用[3-4]。目前，Bock 等[5]合成了尺寸能夠調整的PtRu/C 納米電催化劑，該催化劑對甲醇的電化學氧化具有很高的電催化能力。除了PtRu/C 催化劑，有研究表明PtNi/C 對甲醇的氧化同樣具備良好的電催化穩定性和抗CO中毒性能力[6-7]。

2 陰極催化劑

在燃料電池中，氧的電化學還原反應過程中著很非常高的過電位，能達到幾百mV[8]，在這樣高的過電位下，大多數金屬在水溶液中不穩定，使得電池的電勢下降，電池的工作性能降低。因此研究除出新型的陰極催化劑以便降低陰極的過電位，提高陰極催化劑還原活性是個熱點問題，由于鉑催化劑價格昂貴，目前陰極催化劑主要運用雜原子摻雜碳催化劑或者用Pt和某些過渡金屬：V、Cr、Ti的合金代替純Pt做陰極催化劑。合金催化劑的制備方法主要有：①共還原沉積法；②以Pt/C 為前體，添加合金元素。Johnson Matthey 公司申請的專利[9]中選取共還原沉積法制備了鉑鎳雙合金催化劑。將乙炔黑加入到去離子水中進行攪拌，使其成為均勻的溶液，然后用碳酸氫鈉調節溶液的pH值成堿性，再將一定量的NiNO3和H2PtCl6溶液添加到反應液中，用HCHO溶液做還原劑。反應結束后，洗滌催化劑來除去溶解的氯離子，然后把催化劑置入真空中進行烘干，再把催化劑在N2環境中高溫焙燒使之合金化。如此便制備出鉑鎳合金催化劑。本工作使用鉑鹽溶液合成了Pt-Ni合金催化劑，用循環伏安和線性掃描表征了Pt-Ni合金催化劑催化性能。

3 鉑鎳合金催化劑的制備及電化學性能測試

3.1 鉑鎳合金電極的制備

方法：首先將1cmx5cm碳紙片浸泡于乙醇溶液中進行超聲波擴孔處理。用PTFE乳液中浸泡，烘干，置于馬弗爐內高溫焙燒。再用Naf i on 涂覆，將該電極浸入0.025 mol/L的二氯四氨合鉑和NiCl2水溶液中，（油浴）50 ℃浸泡4.5h，進行離子交換，取出用超純水清洗干凈，即制得鉑鎳雙合金電極。

3.2 Pt-Ni合金電極的電化學測試

采用三電極體系，用離子交換后的電極為工作電極，鉑片電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。在0.1mol/L 的高氯酸溶液中，-1.0V 條件下電化學還原60s，該電極用超純水清洗干凈。

CV測試：通入N2，起始電位0.9V，終點電位-0.3V，掃掃描速率：50mV/s，圈數10。掃描結果如圖1。

圖1 電極在0.1mol/L HCLO4溶液中的CV 曲線Fig.1 Cyclic voltammograms of electrodes in a 0.1 mol/L HCLO4solution

LSV測試：分別通入N2和O2，起始電位：0.9V，終點電位：-0.3V，掃速：0.2mv/s，圈數：1。掃描結果如圖2。

圖2 在0.1mol/L HCLO4溶液中的LSV曲線Fig.2 Linear sweep voltammograms of Electrodes in a 0.1 mol/L HCLO4solution

由Pt-Ni合金電極的CV曲線和LSV極化曲線可以看出，電極表現出很高的氧還原催化活性。

4 結論

質子交換膜燃料電池的催化劑仍以鉑為主，一些Pt 基催化劑，如在Pt 中添加Ni等過渡金屬不但能提高Pt對氧還原的電催化活性，還能很大程度地提高的耐甲醇的能力，所以這些Pt 基復合催化劑作為陰極催化劑在質子交換膜燃料電池中有較好的應用前景。

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Preparation of Platinum-Nickel Alloy Catalyst

Li Xiao-qing，Du Yan-yu，Hu Jin-yuan，Tang Xue-xiu，Zhang Jun

The progress of anode catalyst and cathode catalyst in proton exchange membrane fuel cell was reviewed.3.The preparation of Pt-Ni alloy catalyst for CO-resistant anode catalyst was introduced.

proton exchange membrane fuel cell；anode；cathode；platinum and nickel alloy catalyst

O65

A

1003–6490（2017）03–0072–02

2017–03–04

重慶市大學生創新創業訓練項目（NO.201514315503）資助。

李小慶（1984—），女，四川資陽人，副教授，主要從事應用化工技術和石油化工技術等領域的教學與科研工作。