三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂制造技术

本发明专利技术涉及一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳材料，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在基底上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。通过以该材料组装的燃料电池展现出优异的电池性能。本发明专利技术步骤简单，可控，重现性好，易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂
本专利技术涉及金属催化和燃料电池
，具体地，涉及一种三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂。
技术介绍
燃料电池是一种通过氧或氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。它的发现已有180年的历史，被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术。燃料电池基于使用的燃料不同，有可能产生极少量二氧化碳和其他物质，对环境的污染较少。其中氢燃料电池由于使用纯氢气作为燃料，产物为水，因而是一种零污染的绿色能源。虽然目前燃料电池技术已在航空航天和住房交通等领域取得了广泛应用，但燃料电池技术目前仍不够完善，特别是在汽车领域的商业化推广方面仍存在一些困难，这主要是由于其成本仍有待于进一步降低。目前燃料电池广泛使用的铂基催化剂成本高昂，亟需开发价格更低同时催化性能优异的催化剂。催化剂的尺寸、结构、形貌、表面积等对其催化性能，如活性和稳定性等具有至关重要的影响。如何设计具有特定尺寸和结构的燃料电池催化剂是该领域的一个重要挑战。专利CN102318112B公开了一种磷酸燃料电池用三元铂合金催化剂及其制备方法；CN105409042A公开了一种铂基三元去合金燃料电池催化剂且其表面非铂含量仅为对应的体相含量的20-99％。CN105009336B公开了一种包含铂和钽的二元合金催化剂并用于燃料电池；CN103769086B公开了一种基于真空溅射法和微粉化工艺的碳载铂燃料电池催化剂的制备方法；CN103501896A公开了一种包含促进氢的氧化反应的第一催化材料和促进氧析出的第二催化材料的燃料电池催化剂层。专利CN108270020A公开了一种在炭基底上用氧固定铂单原子催化剂的燃料电池催化剂；CN108339543A公开了一种基于溶剂热合成和聚合物包覆及热处理的高负载量单原子催化剂及其制备方法；CN106944119A公开了一种层状石墨相氮化碳负载单原子金属M催化材料的制备方法；CN107376970A公开了一种单原子铁掺氮多孔碳催化剂及其制备方法与其在催化含氮杂环化合物脱氢氧化反应中的应用；CN108686680A公开了一种贵金属单原子负载于硫化镉纳上的复合材料及其制备方法和在光解水产氢中的应用。以上现有技术中只是单纯的介绍了关于燃料电池催化剂材料和单原子催化材料的相关技术，但是关于三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂未见有公开报道。这些技术与本专利技术的主要区别在于：催化剂材料不同，本专利技术中主要涉及三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂，作为一种亚纳米尺度的材料，它是介于单原子与纳米粒子之间的物种。本专利技术的材料为一种亚纳米尺度的三原子团簇以及含该材料的燃料电池催化剂应用。具体地，该材料中的三原子金属团簇通过氮原子锚定在碳基底上，形成了过渡金属三原子团簇与氮共掺杂的碳基，从而产生了较为稳定的三原子团簇，且能均一地分散在基底上。该三原子团簇结构能极大地暴露活性位点，展示出优异的氧还原反应催化活性和稳定性。利用该材料作为催化剂的燃料电池也表现出了优异的电池性能。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂以及该材料在燃料电池中的应用。该三原子金属团簇材料具有优异的氧还原活性，在燃料电池测试中表现出优异的电池性能。该材料重现性好，产率高，成本较低，适合于工业化生产。本专利技术的目的及解决其技术问题采用以下的技术方案来实现。依据本专利技术提出的一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳材料，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在氮掺杂纳米碳上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述金属选自铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述碳源选自金属-有机框架材料和/或碳纳米管。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述氮源选自金属-有机框架材料和/或氨气。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述金属-有机框架材料选自ZIF-8、ZIF-67、MOF-5、UIO-66、HKUST-1、PCN-14中的一种或多种。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述三原子金属团簇的负载量≤70wt％。前述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述三原子金属团簇的负载量为0.2-30wt％。借由上述技术方案，本专利技术(名称)至少具有下列优点：(1)本专利技术提供的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳材料，三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在基底上，氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，三原子金属团簇负载于氮掺杂纳米碳上，上述结构的催化剂材料用于燃料电池中，该三原子金属团簇材料具有优异的氧还原活性，在燃料电池测试中表现出优异的电池性能。(2)本专利技术提供的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂材料，是通过氮原子锚定在碳基底上，形成了过渡金属三原子团簇与氮共掺杂的碳基，从而产生了较为稳定的三原子团簇，且能均一地分散在基底上，该材料重现性好，产率高，成本较低，适合于工业化生产。(3)本专利技术通过将三原子金属团簇负载于氮掺杂纳米碳材料上，以氮原子锚定金属三原子，能显著提升三原子在碳基底上的稳定性，因而可以在高比表面积的碳基底上最大化地暴露活性位点，展现出优异的氧还原反应催化活性和稳定性。通过以该材料组装的燃料电池也展现出优异的电池性能。本专利技术步骤简单，可控，重现性好，易于实现工业化生产。综上所述，本专利技术提供的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，提供一种高氧化还原活性的催化剂材料，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在类似产品中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在制备方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的催化剂材料具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。本专利技术的具体制备方法及其结构由以下实施例详细给出。附图说明图1为根据本专利技术实施例1中得到的催化剂的低倍率SEM电镜表征图；图2为根据本专利技术实施例1中得到的催化剂的高倍率SEM电镜表征图；图3为根据本专利技术实施例1中得到的催化剂的高倍率TEM电镜表征图；图4为根据本专利技术实施例1中得到的催化剂的X射线吸收近边结构XANES图；图5为根据本专利技术实施例1中得到的催化剂的X射线吸收精细结构谱EXAFS图；图6为根据本专利技术实施例1，实施例2与对比实施例1中得到的催化剂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在氮掺杂纳米碳上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。/n

【技术特征摘要】
1.一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在氮掺杂纳米碳上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。


2.根据权利要求1所述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述金属选自铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，其中所述碳源选自金属-有机框架材料和/或碳纳米管。


4.根据权利要求1所述的三原子级...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠伟，
申请(专利权)人：浙江晨阳新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33