一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途，所述合金催化剂包括碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料及贵金属纳米粒子，所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中；合金催化剂中氮掺杂型碳材料与贵金属纳米粒子间的协同作用，提高了合金催化剂的电子传导能力和氧还原活性；若贵金属为Pt，合金催化剂的质量活性可达传统铂碳的2倍以上，且其具有优异的稳定性，经30000圈加速循环后，活性衰减在31％以下；将其制备成5×10cm

【技术实现步骤摘要】
一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途
本专利技术属于燃料电池领域，涉及一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFCs)具有能量转换效率高、低温快速启动、低噪音、无污染等特点，被认为十分适合作为绿色新能源汽车的动力能源。质子交换膜燃料电池由催化剂、质子交换膜、气体扩散层及双极板组成。其工作原理是氢气在阳极分离出质子和电子，质子经过质子交换膜到阴极，而电子则通过外电路到达阴极，当电子到达阴极时，与质子以及通入的O2在阴极催化剂的作用下结合而生成水，具体电极反应为：阳极:H2→2H++2e-；阴极:1/2O2+2H++2e-→H2O；总反应式为:H2+1/2O2→H2O；由于质子交换膜燃料电池使用的燃料为氢气和空气，产物为水，因此，燃料电池技术被认为是新能源发展的终极目标。燃料电池工作的环境温度为40-95℃，因此，需要采用高活性的贵金属Pt作为催化剂活性组分。但由于Pt金属存储量少、价格昂贵、易毒化等特点，因此，开发高活性、高耐久的低铂催化剂是目前的研究重点。目前，质子交换膜燃料电池常用的Pt/C催化剂中，阳极一侧Pt载量一般需要0.05-0.1mg/cm2就可以满足燃料电池的需要，而阴极一侧Pt载量则需要0.15-0.30mg/cm2；Pt/C催化剂在燃料电池电堆中所占的成本比例为35％-50％。因此，提升催化材料性能、降低阴极氧还原催化剂用铂量对于降低PEMFCs的成本及推广使用具有至关重要的意义。与此同时，作为具有实际推广意义的阴极催化剂材料，电催化过程中催化剂的稳定性也是不容忽视的关键考量因素之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种嵌入式的合金催化剂及其制备方法和用途，所述合金催化剂包括碳基底材料、位于碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料及贵金属纳米粒子，所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中；本专利技术所述合金催化剂中氮掺杂型碳材料与贵金属纳米粒子间的协同作用，显著提高了所述合金催化剂的电子传导能力和氧还原活性；所述贵金属为Pt时，所述合金催化剂的质量活性可达传统铂碳的2倍以上，且其具有优异的稳定性，经过30000圈加速循环后，活性衰减在31％以下，特别适用于车用环境；将其制备成5×10cm2膜电极，组装单电池进行测试，其在电池温度75℃，加湿温度为70℃，相对湿度为60％RH、化学计量比氢气/空气＝1.2/2.2的条件下，电流密度可达2800mA/cm2@0.6V。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种嵌入式的合金催化剂，所述合金催化剂包含碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料和贵金属纳米粒子；所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中。其中“嵌入式”的含义是指贵金属纳米粒子嵌入在所述氮掺杂型碳材料中。本专利技术所述合金催化剂中包含碳基底材料，所述碳基底材料的表面包含氮掺杂型碳材料，贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中，氮原子拥有与碳原子十分接近的原子结构，其外层较碳原子多一个核外电子，因而具有更强的电子亲和能力，致使其周边碳原子倾向于显示出较高的正电荷密度，进而有利于提升合金催化剂在电催化反应过程中的反应活性，且所述氮掺杂型碳材料与碳基底材料间的协同作用，有利于提升合金催化剂的电子传导能力，使得催化效率得以提升，且贵金属纳米粒子嵌入式的结构有利于保护贵金属纳米粒子在电催化过程中不被腐蚀，从而显著提高合金催化剂的稳定性。优选地，所述贵金属纳米粒子包括铂纳米粒子、金纳米粒子或银纳米粒子中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括铂纳米粒子和金纳米粒子的组合或铂纳米粒子和银纳米粒子的组合等；优选为铂纳米粒子。第二方面，本专利技术提供了如第一方面所述的嵌入式的合金催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将碳基底材料、含氮聚合物单体和溶剂混合，得到混合溶液；(2)将贵金属前驱体溶液加入步骤(1)得到的混合溶液中，进行反应，之后固液分离，惰性气氛下煅烧，得到所述嵌入式的合金催化剂。本专利技术所述合金催化剂的制备过程采用一步氧化聚合和高温煅烧相结合的方法，首先将碳基底材料、含氮聚合物单体和溶剂混合，使得含氮聚合物单体吸附在碳基底材料的表面，之后加入贵金属前驱体溶液，所述贵金属前驱体起到氧化剂的作用，在贵金属前驱体的作用下吸附在碳基底材料表面的含氮聚合物单体发生氧化聚合，形成氮掺杂型导电高分子材料，并将贵金属纳米粒子嵌入其中，之后在氮气气氛下煅烧，使得氮掺杂型导电高分子材料碳化，从而在碳基底材料表面形成氮掺杂型碳材料，贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中，得到所述嵌入式的合金催化剂。本专利技术采用上述方法制备得到的合金催化剂中，贵金属纳米粒子嵌入氮掺杂型碳材料中，且贵金属纳米粒子分散均匀，进而有利于提高催化剂的活性。优选地，步骤(1)所述碳基底材料包括科琴黑、卡博特炭黑、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、氧化石墨烯或生物质碳材料中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括科琴黑和卡博特炭黑的组合、碳纳米管和碳纳米球的组合、石墨烯和氧化石墨烯的组合或生物质碳材料和科琴黑的组合等。优选地，所述卡博特炭黑包括VulcanXC-72和/或VulcanXC-72R。优选地，步骤(1)所述含氮聚合物单体包括吡咯单体、3,4-乙烯二氧噻吩或苯胺单体中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括吡咯单体和3,4-乙烯二氧噻吩的组合或苯胺单体和3,4-乙烯二氧噻吩的组合等。优选地，步骤(1)中碳基底材料和含氮聚合物单体的质量比为1:(0.02-10)，例如1:0.03、1:0.1、1:0.5、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8或1:9等，优选为1:(0.05-6.5)。优选地，步骤(1)所述溶剂包括乙二醇、油酸、油胺、乙醇、水或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合，所述组合示例性的包括乙二醇和油酸的组合、油胺和乙醇的组合或水和N,N-二甲基甲酰胺的组合等。优选地，步骤(1)所述将碳基底材料、含氮聚合物单体和溶剂混合的方法包括以下步骤：(a)将碳基底材料分散在溶剂中，得到碳基底材料的分散液；(b)将含氮聚合物单体加入步骤(a)中的碳基底材料的分散液中，混合，得到混合溶液。本专利技术所述合金催化剂的制备过程中，首先将碳基底材料在溶剂中分散，得到碳基底材料的分散液，之后加入含氮聚合物单体，进行混合，其有利于含氮聚合物单体在碳基底材料表面的吸附，后续经碳化后，有利于提高制备得到的合金催化剂的活性和稳定性。优选地，步骤(a)所述分散的方法包括超声。优选地，步骤(a)所述分散的过程在超声匀浆机中进行。优选地，所述超声的时间为10-60min，例如15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min或55min等。优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种嵌入式的合金催化剂，其特征在于，所述合金催化剂包含碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料和贵金属纳米粒子；所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中。/n

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式的合金催化剂，其特征在于，所述合金催化剂包含碳基底材料、位于所述碳基底材料表面的氮掺杂型碳材料和贵金属纳米粒子；所述贵金属纳米粒子嵌入所述氮掺杂型碳材料中。


2.如权利要求1所述的合金催化剂，其特征在于，所述贵金属纳米粒子包括铂纳米粒子、金纳米粒子或银纳米粒子中的任意一种或至少两种的组合；优选为铂纳米粒子。


3.如权利要求1或2所述的嵌入式的合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将碳基底材料、含氮聚合物单体和溶剂混合，得到混合溶液；
(2)将贵金属前驱体溶液加入步骤(1)得到的混合溶液中，进行反应，之后固液分离，惰性气氛下煅烧，得到所述嵌入式的合金催化剂。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述碳基底材料包括科琴黑、卡博特炭黑、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、氧化石墨烯或生物质碳材料中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述卡博特炭黑包括VulcanXC-72和/或VulcanXC-72R；
优选地，步骤(1)所述含氮聚合物单体包括吡咯单体、3,4-乙烯二氧噻吩或苯胺单体中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)中碳基底材料和含氮聚合物单体的质量比为1:(0.02-10)，优选为1:(0.05-6.5)；
优选地，步骤(1)所述溶剂包括乙二醇、油酸、油胺、乙醇、水或N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合。


5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述将碳基底材料、含氮聚合物单体和溶剂混合的方法包括以下步骤：
(a)将碳基底材料分散在溶剂中，得到碳基底材料的分散液；
(b)将含氮聚合物单体加入步骤(a)中的碳基底材料的分散液中，混合，得到混合溶液。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(a)所述分散的方法包括超声；
优选地，步骤(a)所述分散的过程在超声匀浆机中进行；
优选地，所述超声的时间为10-60min；
优选地，步骤(b)所述混合的方法包括搅拌；
优选地，所述搅拌的时间为10-60min。


7.如权利要求3-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述贵金属前驱体溶液包括金属铂前驱体溶液、金前驱体溶液或银前驱体溶液中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属铂前驱体溶液包括氯铂酸、四氯合铂酸钾、六氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：于力娜，朱云，朱雅男，张克金，唐柳，杨帅，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22