一种铂碳催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，所述铂碳催化剂包括碳载体和负载于其上的铂金属，所述碳载体为磷掺杂的碳材料。本发明专利技术的铂碳催化剂在用于氧还原反应时，具有更高的电化学稳定性。高的电化学稳定性。高的电化学稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种铂碳催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，具体地说，是一种磷掺杂的铂碳催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池作为一种将化学能转变为电能的能量转化装置，具有能量转化效率高、工作温度低和绿色环保等优点，有望在诸多领域特别是交通运输领域得到广泛应用。氢燃料电池是目前主流的燃料电池技术，而催化剂和质子交换膜又是氢燃料电池技术的核心。在氢燃料电池的发展中，制造高效低成本的电极催化剂一直是科学研究的热门课题，由于阴极氧还原反应(ORR)的交换交流密度较阳极氢氧化反应(HOR)小4～5个数量级且过电势较大，因此阴极氧还原电极催化剂更是成为了研究的焦点。
[0003]掺杂元素的碳材料可直接用作碱性燃料电池催化剂，尽管此类催化剂的文献报道较多，但与铂碳催化剂相比催化性能尚有较大差距，距离实际应用还较远。氮元素能以多种结构形式掺杂碳材料，是最常用的掺杂元素。磷与氮属于同一主族，但就掺杂碳材料而言，由于原子半径及电负性的差异，使磷有本质上不同于氮的特点。目前，有关磷掺杂的碳材料的文献报道中，此类材料的催化性能普遍较低，催化机理还没有统一、明确的认识。
[0004]铂碳催化剂是目前最成熟的氢燃料电池催化剂，但铂的价格昂贵，催化活性、稳定性还不理想。影响铂碳催化剂催化活性和稳定性的因素很多且复杂，一些文献认为，铂碳催化剂的质量比活性、稳定性与铂的粒径、形貌、结构，以及载体的种类、性质和铂载量有关。现有技术主要是通过控制铂的粒径、形貌、结构以及载体的比表面积、孔结构来改进铂碳催化剂的性能；也有文献报道在碳表面连上修饰基团，通过对碳载体改性来提高铂碳催化剂的性能。
[0005]提高载铂量有利于制造更薄、性能更好的膜电极，但在现有技术中，大幅度提高载铂量会导致以单位质量铂计的催化性能显著降低。
[0006]化学还原法是常用的铂碳催化剂的制造方法，优点是工艺简单，缺点是铂的利用率低，催化活性较低。其原因可能是碳载体孔结构不规则导致铂纳米颗粒分散不均匀。
[0007]前述
技术介绍
部分所公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景理解，它可以包括不属于本领域普通技术人员已知的信息。

技术实现思路

[0008]本专利技术的第一个目的是提高铂碳催化剂的质量比活性和电化学稳定性。本专利技术第二个目的是在前述目的的基础上提供更高载铂量的铂碳催化剂。本专利技术第三个目的是改进制造铂碳催化剂的水相化学还原法。
[0009]为了实现前述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0010]1、一种铂碳催化剂的制备方法，包括：(1)混合磷源的步骤：将碳材料与磷源混合，得到混合磷源的碳材料；(2)制造磷掺杂碳材料的步骤：将(1)中所得混合了磷源的碳材料，
在惰性气氛下进行高温处理，得到磷掺杂碳材料；(3)负载铂的步骤：以(2)中所得磷掺杂碳材料为载体，负载铂的步骤。
[0011]2、一种铂碳催化剂的制备方法，包括：(1)混合磷源的步骤：将碳材料与磷源水溶液混合，浸渍，得到浸渍上磷源的碳材料；(2)制造磷掺杂碳材料的步骤：将(1)中所得浸渍上磷源的碳材料，在惰性气氛下进行高温处理，得到磷掺杂碳材料；(3)负载铂的步骤：以(2)中所得磷掺杂碳材料为载体，负载铂的步骤。
[0012]3、按照前述任一的制备方法，其特征在于，(2)中，所述高温处理的温度为300℃～800℃(优选为400℃～600℃)，处理时间为0.5h～10h。
[0013]4、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述高温处理的时间为1h～5h，优选为1.5h～4h。
[0014]5、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述磷源为磷酸、磷酸盐、焦磷酸盐、多聚磷酸盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐、亚磷酸盐和次磷酸盐中一种或几种，优选为磷酸。
[0015]6、按照前述任一的制备方法，其特征在于，磷源质量按所含磷元素的质量计，所述碳材料与磷源的质量比为100：0.1～100：8；优选为100：0.5～100：5。
[0016]7、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述碳材料为导电炭黑，优选为为EC-300J、EC-600JD、ECP-600JD、VXC72、Black pearls 2000、PRINTEX XE2-B、PRINTEX L6或HIBLAXK 40B2。
[0017]8、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述碳材料的XPS分析中，氧质量分数大于4％，优选为4％～15％。
[0018]9、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述碳材料的电阻率<10Ω
·
m，优选<5Ω
·
m，更优选<2Ω
·
m。
[0019]10、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述碳材料的比表面积为10m2/g～2000m2/g。
[0020]11、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述磷掺杂碳材料的XPS分析中，磷的质量分数为0.1％～6％，优选为0.2％～4％，更优选为0.3％～3％。
[0021]12、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述磷掺杂碳材料的XPS分析P
2p
谱峰中，有C-P和P-O的特征峰。
[0022]13、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述磷掺杂碳材料的XPS分析P
2p
谱峰中，在125ev～145ev之间为双峰，分别位于133.3ev
±
0.5ev和134.2ev
±
0.5ev。
[0023]14、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述负载铂的步骤包括：
[0024](a)将(1)中得到的磷掺杂碳材料与铂前驱体分散在水相中，调节pH为8～12(优选调节pH值为10
±
0.5)；
[0025](b)加入还原剂进行还原；
[0026](c)分离出固体，经后处理得到所述的铂碳催化剂。
[0027]15、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述铂前驱体为氯铂酸、氯铂酸钾或氯铂酸钠；所述铂前驱体的浓度为0.5mol/L～5mol/L。
[0028]16、按照前述任一的制备方法，其特征在于，(a)中，用碳酸钠水溶液、碳酸钾水溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液或氨水调节水相的pH值。
[0029]17、按照前述任一的制备方法，其特征在于，(b)中，所述还原剂为柠檬酸、抗坏血
酸、甲醛、甲酸、乙二醇、柠檬酸钠、水合肼、硼氢化钠或丙三醇中的一种或几种；所述还原剂与铂的摩尔比为2～100；还原温度为50℃～150℃，优选为60℃～90℃；还原时间为2h～15h，优选为8h～12h。
[0030]18、按照前述任一的制备方法，其特征在于，所述的后处理包括：洗涤、过滤和烘干。
[0031]19、一种铂碳催化剂，其特征在于，该催化剂由前述任一的方法制得。
[0032]20、一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铂碳催化剂的制备方法，包括：(1)混合磷源的步骤：将碳材料与磷源混合，得到混合磷源的碳材料；(2)制造磷掺杂碳材料的步骤：将(1)中所得混合了磷源的碳材料，在惰性气氛下进行高温处理，得到磷掺杂碳材料；(3)以(2)中所得磷掺杂碳材料为载体，负载铂的步骤。2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，(2)中，所述高温处理的温度为300℃～800℃，处理时间为0.5h～10h。3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷源为磷酸、磷酸盐、焦磷酸盐、多聚磷酸盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐、亚磷酸盐和次磷酸盐中一种或几种。4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，磷源质量按所含磷元素的质量计，所述碳材料与磷源的质量比为100:0.1～100:8。5.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料为导电炭黑，优选为EC-300J、EC-600JD、ECP-600JD、VXC72、Black pearls 2000、PRINTEX XE2-B、PRINTEX L6或HIBLAXK 40B2。6.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料的XPS分析中，氧质量分数大于4％。7.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料的电阻率<10Ω
·
m。8.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料的比表面积为10m2/g～2000m2/g。9.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述负载铂的步骤包括：(a)将(1)中得到的磷掺杂碳材料与铂前驱体分散在水相中，调节pH为8～12；(b)加入还原剂进行还原；(c)分离出固体，经后处理得到所述的铂碳催化剂。10.按照权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述铂前驱体为氯铂酸、氯铂酸钾或氯铂酸钠；所述铂前驱体的浓度为0.5mol/L～5mol/L。11.按照权利要求9所述的制备方法，其特征在于，(b)中，所述还原剂为柠檬酸、抗坏血酸、甲醛、甲酸、乙二醇、柠檬酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢南宏，荣峻峰，赵红，张家康，彭茜，王厚朋，顾贤睿，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：