一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用。本发明专利技术催化剂的制备方法为：将铂锑合金纳米颗粒的悬浮液、锌盐及咪唑类物质加入到第一醇类溶剂中，剧烈搅拌后静置，过滤、干燥得包覆铂锑合金纳米颗粒的固体粉末，然后将所述固体粉末分散于蒸馏水中，再加入有机酸或有机酸盐的水溶液，剧烈搅拌后静置，过滤、干燥得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末，最后在高纯气体气氛下高温焙烧，即制得铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂。本发明专利技术的催化剂具有高的电催化活性、超强的稳定性，在电解水制备臭氧时，明显改善了电解臭氧发生器阳极产生臭氧的电流效率，且本发明专利技术催化剂的电解水催化生产臭氧的性能优于二氧化铅。

A Pt-Sb alloy embedded in nitrogen-doped porous hollow carbon catalyst and its preparation method and Application

The invention discloses a platinum-antimony alloy embedded in nitrogen-doped porous hollow carbon catalyst, a preparation method and application thereof. The preparation method of the catalyst is as follows: the suspension of platinum-antimony alloy nanoparticles, zinc salts and imidazole substances are added into the first alcohol solvent, stirred intensely, placed in a static state, filtered and dried to obtain the solid powder coated with platinum-antimony alloy nanoparticles, and then dispersed in distilled water, added with organic acid or organic salt solution, stirred violently, and placed still. The solid powders adsorbing organic acid anions were obtained by filtration and drying. Finally, platinum-antimony alloy was prepared by calcination at high temperature in high purity gas atmosphere, i.e. platinum-antimony alloy embedded in nitrogen-doped porous hollow carbon catalyst. The catalyst of the present invention has high electrocatalytic activity and super stability. When the electrolytic water is used to prepare ozone, the current efficiency of the anode of the electrolytic ozone generator to produce ozone is obviously improved, and the performance of the electrolytic water catalytic production of ozone of the catalyst of the present invention is superior to that of lead dioxide.

【技术实现步骤摘要】
一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
臭氧(O3)，相对分子质量48，是氧同素异形体的一种，常温下呈不稳定淡蓝色气体，具有特殊气味，化学性质不稳定，会很快的分解为氧气。由于臭氧具有强氧化性，能够很有效杀灭病毒、细菌等微生物，并能很快氧化分解有机物。臭氧不仅具有很强的杀菌灭效果，在工业上还是一种多功能的强氧化剂，被广泛应用于水处理、工业用水处理、食品保藏及净化空气等方面；除此之外，臭氧在医疗方面还有很广泛的应用，作为增强健康的药剂，可增加血液中的含氧量，在治疗贫血病、气喘等症方面具有很好的效果。由于臭氧易分解成氧气，因此无法储存和转运，必须在使用场地边产生边使用。目前臭氧的主要制备方法有无声放电法、紫外辐射法、电化学法。无声放电法在臭氧的制备过程中，所用设备要求高且复杂，投入费用高，移动不方便，产生的臭氧浓度不高；除此之外，在制备过程中会产生一定含量致癌物质。紫外辐射法适合于需要少量臭氧的场合，这限制了其广泛的应用。电解法制备臭氧主要借助于臭氧发生器实现电解制备臭氧，该装置具有设备简单，体积小，移动方便等优点，且其产生的臭氧浓度可达10%以上，同时不产生有害的氮氧化物。因此近年来，很多发达国家正在积极开展电解法制备臭氧的研究以及开发工作。电解臭氧发生器的阳极电极材料多采用二氧化铅(PbO2)，玻璃碳及纯铂（铂）。二氧化铅导电性能好且过电势较大，但使用过程中发生消耗溶解，致使使用寿命不长。玻璃碳在电化学氧化过程中稳定较好，对阴离子具有抗性，但采用玻璃碳作阳极，电解液一般需采用荧光阴离子酸（如四氟硼酸HBF4），该离子酸不仅具有很大的毒性、价格昂贵，使用条件苛刻，臭氧发生温度需要在0℃以下，在使用推广中受到了限制。纯铂的析氧过电位在贵金属元素及其合金中最高，纯铂具有良好的导电性，但在阳极氧化条件下容易转换为氧化铂，其稳定性有待提高。通过掺杂其他金属是提高铂稳定性的有效途径。因此，电解臭氧发生器商业化发展的首要制约因素是质子交换膜电极成本高及寿命短的问题。如何研制一种成本较低，性能稳定的电解臭氧发生器铂合金阳极催化剂并提高稳定性，是电解臭氧发生器的研究重点。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用，本专利技术的催化剂不仅制备成本低，应用于电解臭氧中，稳定性能好、电流效率高。一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将20mL铂锑合金纳米颗粒的悬浮液、0.5-2g锌盐及3-5g咪唑类物质加入到50-150mL第一醇类溶剂中，剧烈搅拌1-3h，然后静置10-42h，过滤、真空干燥得包覆铂锑合金纳米颗粒的固体粉末；其中，所述铂锑合金纳米颗粒悬浮液的浓度为1.0~1.5g/L；2）取步骤1）所得固体粉末0.15-1g分散于10-200mL蒸馏水中，再加入5-80mL有机酸或有机酸盐的水溶液，剧烈搅拌，然后静置，过滤、真空干燥，得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末；3）步骤2）所得固体粉末置于管式炉中，在高纯气体气氛下高温焙烧，焙烧2-8h，即制得所述的铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，所述铂锑合金纳米颗粒的粒径为1~20nm，铂锑合金纳米颗粒中的锑、铂质量比为2~20:100；真空干燥的温度为60~80℃；锌盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌，优选为硝酸锌或氯化锌。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，所述咪唑类物质为甲基咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、4-甲基咪唑、1,2-二甲基-5-硝基咪唑或二甲硝咪唑，优选为2-甲基咪唑或1,2-二甲基咪唑；所述第一醇类溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇或丁醇，优选为甲醇、乙醇或乙二醇。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，有机酸盐水溶液的浓度为0.004-1g/mL、pH值为7-10；所述有机酸盐为单宁酸盐、十六烷基三甲基溴化铵盐、聚乙烯吡咯烷酮盐、十二烷基硫酸钠，优选为单宁酸盐或十六烷基三甲基溴化铵盐；所述有机酸为单宁酸或丁二酸，有机酸水溶液浓度为0.004-1g/mL；剧烈搅拌的时间为1-3h，静置的时间为10-48h。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤3）中，高纯气体为氨气、氮气、氩气、氦气或空气，优选为氮气或氩气；高纯气体通入管式炉内的流速为10-80mL/min；高温焙烧的温度为700-1000℃，高温焙烧的时间为2-5h。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，铂锑合金纳米颗粒的悬浮液的制备方法为，包括以下步骤：将0.02-2g氯铂酸或氯铂酸盐、0.002-0.02g锑盐、0-3g表面活性剂溶于10-300mL第二醇类溶剂中，所得混合液经高纯气体鼓泡保护条件下，于50-300℃油浴回流1-5h，然后旋蒸除去溶剂，旋蒸残留物中加入丙酮得浑浊混合液，离心分离得到粘稠物并分散于水或甲醇中，即制得所述含有铂锑合金纳米颗粒的悬浮液。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于所述氯铂酸盐为氯铂酸钾、亚氯铂酸钾、氯铂酸铵或乙酰丙酮铂，优选为氯铂酸钾；所述锑盐为硝酸锑、硫酸锑、氢氧化锑、三氯化锑、五氯化锑、氮化锑、碳酸锑、溴化锑或硫化锑，优选为三氯化锑或五氯化锑。所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十四烷基溴化铵或十六烷基三甲基溴化铵，优选为聚乙烯吡咯烷酮或十四烷基溴化铵；所述第二醇类溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇或丁醇，优选为甲醇、乙醇或乙二醇；所述高纯气体为氨气、氮气、氩气、氦气或空气，优选为氮气或氩气。按照上述方法制备的铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂。所述的铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂在电解水生产臭氧中的应用，其特征在于采用质子交换膜作为膜电极基底，将所述铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂涂覆在质子交换膜阳极面，将5-40%铂含量的铂碳涂覆在质子交换膜阴极面，将制得的膜电极组装成电解臭氧发生器，电解室中加入去离子水，进行电解水反应，生成臭氧产品；所述质子交换膜为NafionN117、NafionN115、NafionD520、NafionNRE211、NafionNRE212或NafionHP，优选为NafionN117或NafionN115。相对于现有技术，本专利技术取得的有益效果是：1）本专利技术针对传统的纯铂电催化制备臭氧，纯铂制备成本高且纯铂的活性低、稳定性差的问题，专利技术了铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂及其制备方法和应用，本专利技术制备铂锑合金纳米颗粒的过程中，第二醇类溶剂作为还原剂的作用下，将氯铂酸盐和锑盐均还原成金属原子粒子，通过控制优化油浴回流温度、表面活性剂的添加量、氯铂酸盐和锑盐分散于第二醇类溶剂中的浓度等条件，控制过程影响金属原子粒子团聚的因素，从而能够得到一系列不同纳米粒径的铂锑合金颗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将20 mL铂锑合金纳米颗粒的悬浮液、0.5‑2 g锌盐及3‑5 g咪唑类物质加入到50‑150 mL第一醇类溶剂中，剧烈搅拌1‑3h，然后静置10‑42h，过滤、真空干燥得包覆铂锑合金纳米颗粒的固体粉末；其中，所述铂锑合金纳米颗粒悬浮液的浓度为1.0~1.5 g/L；2）取步骤1）所得固体粉末0.15‑1 g分散于10‑200mL蒸馏水中，再加入5‑80mL有机酸或有机酸盐的水溶液，剧烈搅拌，然后静置，过滤、真空干燥，得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末；3）步骤2）所得固体粉末置于管式炉中，在高纯气体气氛下高温焙烧，焙烧2‑8 h，即制得所述的铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将20mL铂锑合金纳米颗粒的悬浮液、0.5-2g锌盐及3-5g咪唑类物质加入到50-150mL第一醇类溶剂中，剧烈搅拌1-3h，然后静置10-42h，过滤、真空干燥得包覆铂锑合金纳米颗粒的固体粉末；其中，所述铂锑合金纳米颗粒悬浮液的浓度为1.0~1.5g/L；2）取步骤1）所得固体粉末0.15-1g分散于10-200mL蒸馏水中，再加入5-80mL有机酸或有机酸盐的水溶液，剧烈搅拌，然后静置，过滤、真空干燥，得到吸附有机酸根阴离子的固体粉末；3）步骤2）所得固体粉末置于管式炉中，在高纯气体气氛下高温焙烧，焙烧2-8h，即制得所述的铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂。2.根据权利要求1所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，所述铂锑合金纳米颗粒的粒径为1~20nm，铂锑合金纳米颗粒中的锑、铂质量比为2~20:100；真空干燥的温度为60~80℃；锌盐为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌，优选为硝酸锌或氯化锌。3.根据权利要求1所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤1）中，所述咪唑类物质为甲基咪唑、2-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、4-甲基咪唑、1,2-二甲基-5-硝基咪唑或二甲硝咪唑，优选为2-甲基咪唑或1,2-二甲基咪唑；所述第一醇类溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇或丁醇，优选为甲醇、乙醇或乙二醇。4.根据权利要求1所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，有机酸盐水溶液的浓度为0.004-1g/mL、pH值为7-10；所述有机酸盐为单宁酸盐、十六烷基三甲基溴化铵盐、聚乙烯吡咯烷酮盐、十二烷基硫酸钠，优选为单宁酸盐或十六烷基三甲基溴化铵盐；所述有机酸为单宁酸或丁二酸，有机酸水溶液浓度为0.004-1g/mL；剧烈搅拌的时间为1-3h，静置的时间为10-48h。5.根据权利要求1所述的一种铂锑合金内嵌于氮掺杂多孔空心碳催化剂的制备方法，其特征在于步骤3）中，高纯气体为氨气、氮气、氩气、氦气或空气，优选为氮气或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，袁博文，钟兴，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33