一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于燃料电池催化剂领域，特别涉及一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法及其应用；步骤为：首先制备石墨相氮化碳纳米片前驱体和石墨相氮化碳纳米片，然后基于此，以三聚氰胺为原料，在较低的温度和较简单的工艺条件下得到石墨相氮化碳纳米片，并以该材料为载体，同时使用碳材料进行修饰，得到碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂；本发明专利技术制备的碳材料修饰的石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂电化学催化性能、抗电化学腐蚀性能及稳定性均优于商业铂碳催化剂。

Preparation and application of platinum nano electrocatalyst supported on carbon material modified graphite phase carbon nitride nano sheet

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法及其应用
本专利技术属于燃料电池催化剂领域，特别涉及一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法及其应用。
技术介绍
聚电解质膜燃料电池(PEMFC)作为第五代燃料电池，被认为是本世纪最有前景的清洁能源技术之一。有关这类燃料电池的研究是该领域的热点课题，然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。提高燃料电池运行温度被认为是解决目前聚合物电解质膜燃料电池面临主要问题的理想途径。与传统的低温膜燃料电池(LT-PEMFC)相比，高温膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度是120℃～200℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力。同时，高温膜燃料电池产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，高温膜燃料电池不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。目前，HT-PEMFC已成为PEMFC的一个重要的发展方向。贵金属Pt是PEMFC最常见的催化材料，催化剂的活性和稳定性对于PEMFC的商业化应用来说起着至关重要的作用。碳材料由于其极好的导电性和高比表面积被广泛地应用于Pt基催化剂载体。然而在HT-PEMFC较为严苛的运行环境(酸性和高温)中，Pt和碳载体材料均存在电化学腐蚀现象。电极催化剂的电化学腐蚀将直接导致燃料电池性能快速衰减，无法满足实际应用要求。r>氮化碳材料由于其制备路线简单、易大规模生产并具有良好的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，而且易于修饰，被普遍认为是一种颇具潜力的新材料。但是，氮化碳本身作为一类半导体材料，在电催化反应中其性能往往受到限制。为了解决这个问题，对氮化碳进行改性，如将其进行剥离得到更薄的材料，使其暴露更多活性位点；另一种方法是对其进行复合，借助其他物质所具备的特殊性能来改善其性能，使复合材料拥有更加优越的电催化性能。石墨相氮化碳(gC3N4)是一种类石墨烯结构的新材料，是碳氮化合物中最稳定的同素异形体，具有抗电化学腐蚀的优越特性。将石墨相氮化碳用于催化剂基底，能达到提高催化剂稳定性和抗电化学腐蚀性的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，针对所述HT-PEMFC中电极催化剂的电化学腐蚀问题，提出一种以三聚氰胺为原料，在较低的温度和较简单的工艺条件下得到石墨相氮化碳纳米片，并以该材料为载体，同时使用碳材料进行修饰，制备石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂。该催化剂具有优异的电化学催化性能和抗电化学腐蚀性能。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制备石墨相氮化碳纳米片前驱体：将三聚氰胺和亚磷酸加入去离子水中溶解，然后在水浴条件下搅拌一段时间，搅拌后置于密封的高压反应釜中进行反应，反应后经抽滤、洗涤、干燥得到前驱体；步骤2、制备石墨相氮化碳纳米片：将甘油和乙醇混合，得到混合溶液；再加入步骤1中所得前驱体，然后在油浴条件下进行回流，冷却后，经无水乙醇洗涤、干燥得到中间产物；将中间产物进行煅烧，得到石墨相氮化碳纳米片；步骤3、制备碳材料修饰的石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂：S1.首先将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入步骤2制备的石墨相氮化碳纳米片，搅拌一段时间后，得到石墨相氮化碳纳米片的分散液；S2.将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入碳材料，搅拌一段时间后，得到碳材料的分散液；S3.将氯铂酸(H2Pt6·6H2O)先加入乙二醇溶液A中，得到混合溶液B；然后再加入乙二醇溶液C，得到混合溶液D，调节混合溶液D的pH值，然后使用油浴加热至一定温度进行回流，冷却至室温，再缓慢滴入石墨相氮化碳纳米片分散液，搅拌均匀后，再缓慢滴入碳材料分散液，得到混合溶液E，进行第二次搅拌，搅拌后再次调节混合溶液E的pH值，再进行第三次搅拌，然后经抽滤、洗涤、干燥，得到碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂。优选的，步骤1中，所述三聚氰胺、亚磷酸和去离子水的用量比为1g:1～5g：100mL。优选的，步骤1中，所述水浴的温度为60～90℃，搅拌一段时间为0.5～2h；所述在高压反应釜中进行反应的温度为120～200℃，时间为6～24h。优选的，步骤2中，所述甘油和乙醇质量比为1:1～6；所述前驱体与混合溶液的用量比为0.6g：10～50ml。优选的，步骤2中，所述油浴的温度为60～120℃，回流的时间为1～6h；所述煅烧的温度为350～600℃，升温速率为2℃/min，时间为1～5h。优选的，步骤2中，所述石墨相氮化碳纳米片厚度为0.5～100nm。优选的，步骤3的S1中，所述异丙醇和乙二醇的体积比为1:3；所述石墨相氮化碳纳米片与混合溶液的用量比为10～50mg:40mL；所述搅拌一段时间为3-5h。优选的，步骤3的S2中，所述异丙醇和乙二醇的体积比为1:3；所述碳材料和混合溶液的用量比为10～50mg:40mL；所述碳材料为炭黑、活性炭、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管或碳纳米球中的一种或多种。优选的，步骤3的S3中，所述氯铂酸(H2Pt6·6H2O)与乙二醇溶液的混合溶液中氯铂酸的浓度为1.5mgPtml-1。优选的，步骤3的S3中，所述混合溶液B与乙二醇溶液C的体积比为1:5～20。优选的，步骤3的S3中，所述调节pH是使用氢氧化钠和乙二醇混合溶液调节混合溶液pH值至9～14；所述氢氧化钠和乙二醇混合溶液中氢氧化钠的浓度为2molL-1。优选的，步骤3的S3中，所述油浴加热至一定温度为100～180℃，回流的时间为1～5h。优选的，步骤3的S3中，所述第二次搅拌的时间为0.5～2h，第三次搅拌的时间为4～10h；所述再次调节混合溶液E的pH值是使用硝酸和乙二醇混合溶液调节混合溶液E的pH值小于4，其中硝酸和乙二醇混合溶液中硝酸的浓度为5wt％。优选的，所述步骤3的S3中，所述铂在碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂中所占质量比为1～60wt％；所述石墨相氮化碳纳米片与碳材料质量比为1:0～5。优选的，所述步骤1～3中，所述干燥的温度均为60～150℃，干燥时间均为5～10h。本专利技术的优点和技术效果是：(1)不同于传统的自上而下的石墨相氮化碳纳米片制备方法(先制备块状氮化碳然后再剥离为片状氮化碳)，本专利技术采用一种自下而上的石墨相氮化碳纳米片制备方法，操作简单且能够直接合成石墨相氮化碳纳米片。(2)所制备的石墨相氮化碳纳米片对铂纳米颗粒具有高分散作用，相较于一般催化剂中铂纳米颗粒4～8nm的直径，本专利技术制备的催化剂Pt纳米颗粒直径仅为1.8nm，且无明显团聚，大大提高了铂的电化学比表面积。(3)所制备的石墨相氮化碳纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n步骤1、将三聚氰胺和亚磷酸加入去离子水中溶解，然后在水浴条件下搅拌一段时间，搅拌后置于密封的高压反应釜中进行反应，反应后经抽滤、洗涤、干燥得到前驱体；/n步骤2、将甘油和乙醇混合，得到混合溶液；再加入步骤1中所得前驱体，然后在油浴条件下进行回流，冷却后，经无水乙醇洗涤、干燥得到中间产物；将中间产物进行煅烧，得到石墨相氮化碳纳米片；/n步骤3、制备碳材料修饰的石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂：/nS1.首先将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入步骤2制备的石墨相氮化碳纳米片，搅拌一段时间后，得到石墨相氮化碳纳米片的分散液；/nS2.将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入碳材料，搅拌一段时间后，得到碳材料的分散液；/nS3.将氯铂酸先加入乙二醇溶液A中，得到混合溶液B；然后再加入乙二醇溶液C，得到混合溶液D，调节混合溶液D的pH值，然后使用油浴加热至一定温度进行回流，冷却至室温，再缓慢滴入石墨相氮化碳纳米片分散液，搅拌均匀后，再缓慢滴入碳材料分散液，得到混合溶液E，进行第二次搅拌，搅拌后再次调节混合溶液E的pH值，再进行第三次搅拌，然后经抽滤、洗涤、干燥，得到碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、将三聚氰胺和亚磷酸加入去离子水中溶解，然后在水浴条件下搅拌一段时间，搅拌后置于密封的高压反应釜中进行反应，反应后经抽滤、洗涤、干燥得到前驱体；
步骤2、将甘油和乙醇混合，得到混合溶液；再加入步骤1中所得前驱体，然后在油浴条件下进行回流，冷却后，经无水乙醇洗涤、干燥得到中间产物；将中间产物进行煅烧，得到石墨相氮化碳纳米片；
步骤3、制备碳材料修饰的石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂：
S1.首先将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入步骤2制备的石墨相氮化碳纳米片，搅拌一段时间后，得到石墨相氮化碳纳米片的分散液；
S2.将异丙醇和乙二醇混合，得到混合溶液；再加入碳材料，搅拌一段时间后，得到碳材料的分散液；
S3.将氯铂酸先加入乙二醇溶液A中，得到混合溶液B；然后再加入乙二醇溶液C，得到混合溶液D，调节混合溶液D的pH值，然后使用油浴加热至一定温度进行回流，冷却至室温，再缓慢滴入石墨相氮化碳纳米片分散液，搅拌均匀后，再缓慢滴入碳材料分散液，得到混合溶液E，进行第二次搅拌，搅拌后再次调节混合溶液E的pH值，再进行第三次搅拌，然后经抽滤、洗涤、干燥，得到碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂。


2.根据权利要求1所述的一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述三聚氰胺、亚磷酸和去离子水的用量比为1g:1～5g：100mL；所述水浴的温度为60～90℃，搅拌一段时间为0.5～2h；所述在高压反应釜中进行反应的温度为120～200℃，时间为6～24h。


3.根据权利要求1所述的一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述甘油和乙醇质量比为1:1～6；所述前驱体与混合溶液的用量比为0.6g：10～50ml。


4.根据权利要求1所述的一种碳材料修饰石墨相氮化碳纳米片负载铂纳米电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述油浴的温度为60～120℃，回流的时间为1～6h；所述煅烧的温度为350～600℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玮琦，苏华能，马强，徐谦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32