一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法、催化剂及其应用技术

本发明专利技术提供了一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法、催化剂及其应用。所述负载铂的方法包括步骤：将杂元素物质与石墨粉以质量比为1:3～10:1混合预定时间，得到杂原子前驱体；将杂原子前躯体置入带孔的石墨棒中并压实，将石墨棒干燥预定时间，得到等离子体阳极；以纯石墨棒为阴极，与等离子体阳极竖直相对放置在电弧炉中，将电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应预定时间段，得到杂原子掺杂碳纳米角；将杂原子掺杂碳纳米角分散于还原性溶液中，加入铂盐搅拌均匀，加热并搅拌进行还原反应，离心、洗涤、干燥后，得到低铂负载催化剂。本发明专利技术具有能够将杂原子掺杂的碳纳米材料作为载体，实现制备高活性燃料电池用铂催化剂等优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法、催化剂及其应用


[0001]本专利技术涉及催化材料制备
，具体地，涉及一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法、催化剂及其应用。

技术介绍

[0002]燃料电池因其具有能量转化效率高(40％～60％)、噪音小、绿色环保、可持续工作、功率密度高、输出稳定以及操作安全等优点，受到了世界范围内的广泛关注。近年来，甲酸常温下处于液态，冰点低且无毒，不易燃烧，适用于低温工作，且相对安全，相较于传统甲醇燃料更具优势。另外，甲酸是良好的电解质，电离后有利于电荷传导，接触电阻小，开路电压高于甲醇。并且可在较高的浓度下工作，实际工作的能量密度要高于直接甲醇燃料电池，相应的阴极中毒现象也不明显；另外，甲酸燃料电池的理论开路电位为1.45V，比甲醇高。目前，直接甲酸燃料电池催化剂主要集中在Pt基二元或多元催化剂。在一定范围内，催化效果随着Pt的含量的增加而提升，但是铂属于贵金属，铂含量的增加大大提高了催化剂的生产成本。同时，由于Pt在催化过程中易发生团聚，导致催化能力大大降低。因此为缓解这一现象，人们致力于将Pt纳米颗粒负载在载体上，增强其稳定性。目前市场上大规模使用的燃料电池催化剂仍然以商业Pt/C催化剂为主。这种催化剂以活性炭为载体，无法有效避免铂纳米粒子的团聚。同时满足合适燃料电池催化剂的铂的负载量也偏大，成本偏高。
[0003]自1960年代以来，掺杂有杂原子，如氧(O)、氮(N)、硫(S)、磷(P)，硼(B)和氟(F)等，在能量存储和转换方面引起了更多关注。由于这些掺杂元素的尺寸和电负性与碳不同，掺杂的碳材料会发生结构变形和电荷密度变化。此外，掺杂杂原子的类型、掺杂量和掺杂的复杂性对于碳材料在能量存储和转换中的整体性能具有重要意义。
[0004]迄今为止，杂原子掺杂一直是研究热点，并已广泛应用于电池、SCs和ORR。例如，氮掺杂会在结构中产生更多缺陷和活性位点，并增强其电子导电性，这有利于提高电池性能，它还提高了表面润湿性，这有利于提高SCs的性能；硫掺杂中硫参与了转化反应，大大提高了材料的电池性能和电容。另外，硫的引入增加了材料的层间距，有利于离子的存储；硼原子的原子大小与碳原子接近，硼原子被掺杂到碳骨架中不影响碳的整体结构，由于硼具有独特的3个价电子，硼掺杂碳材料具有较高的电子电导率和离子吸附容量，这对SCs和ORR都有利。因此，对碳纳米材料进行杂原子掺杂是获得高性能铂催化剂载体的一种有效途径。
[0005]目前，对碳材料进行杂原子掺杂的方法主要有两种，一种是将杂原子化合物在惰性气氛中进行热处理，该类方法较难获得独特结构的杂原子掺杂碳纳米角负载铂，另一种是利用杂原子源对碳材料进行后处理，该方法处理步骤较为繁琐且杂原子掺杂量较低。
[0006]因此，有必要设计一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂催化剂的方法，该方法可以实现对一种或多种杂原子的原位掺杂，从技术上解决了上述两种方法的技术难题，同时将杂原子掺杂的碳纳米材料作为载体，实现了高活性燃料电池用铂催化剂。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种可实现杂原子原位掺杂、多种元素同时掺杂、避免铂纳米颗粒团聚、工艺简单、成本低廉的杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法、催化剂及其应用。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法，所述负载铂的方法包括步骤：
[0009]将杂元素物质与石墨粉以质量比为1:3～10:1混合预定时间，得到杂原子前驱体；
[0010]将所述杂原子前躯体置入带孔的石墨棒中并压实，将所述石墨棒干燥预定时间，得到等离子体阳极；
[0011]以纯石墨棒为阴极，与所述等离子体阳极竖直相对放置在电弧炉中，将电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应预定时间段，得到杂原子掺杂碳纳米角；
[0012]将所述杂原子掺杂碳纳米角分散于还原性溶液中，加入铂盐搅拌均匀，加热并搅拌进行还原反应，离心、洗涤、干燥后得到以杂原子掺杂碳纳米角为载体，铂纳米颗粒为活性成分的低铂负载催化剂。
[0013]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述杂元素物质可为硫或含硫有机物、磷或含磷有机物、含氮有机物、含氯有机物、含氟有机物、含溴有机物、含碘有机物中的至少一种。
[0014]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述混合预定时间可为20min～40min，所述干燥预定时间可为4h～6h，所述反应预定时间可为5min～100min；
[0015]所述杂原子前驱体压实的压力可为0.02MPa～0.05MPa，杂原子前驱体压实后距孔顶端距离可为2mm～4mm。
[0016]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述石墨棒纯度可≥99.99％，且阴极石墨棒靠近等离子体阳极的一端为锥形，石墨棒的直径可为10mm～60mm，石墨棒上孔的孔径可为5mm～10mm，两极之间间距可为2mm～6mm；
[0017]所述电弧的工作电流可为100A～300A，电弧放电时间可为5min～100min。
[0018]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述缓冲气体可为氮气、氩气、氢气、氦气中至少一种或者其中任意两种的混合气体；
[0019]所述电弧炉充入所述缓冲气体后的压强可为50kPa～90kPa，所述混合气体中两种气体的体积比可为1:2～2:1；
[0020]所述还原性溶液可包括乙二醇、水合肼、硼氢化钠中至少一种；
[0021]所述铂盐可包括自氯铂酸或氯亚铂酸中至少一种。
[0022]在本专利技术一方面的一个示例性实施例中，所述杂原子掺杂碳纳米角分散时的搅拌转速可为200r/min～400r/min，搅拌时间可为5min～15min；
[0023]所述加入铂盐后的搅拌转速可为200r/min～400r/min，搅拌时间可为5min～15min；
[0024]所述加热温度可为140℃～160℃，反应时间可为2h～3h，加热时的搅拌速度可为15r/min～20r/min。
[0025]本专利技术另一方面提供了一种催化剂，所述催化剂可通过如上任意一项所述杂原子
掺杂碳纳米角负载的方法制得。
[0026]在本专利技术另一方面的一个示例性实施例中，所述催化剂的结构可为：在碳纳米角表面负载有粒径4nm～8nm的铂纳米颗粒，且颗粒粒径均匀、无团聚。
[0027]在本专利技术另一方面的一个示例性实施例中，所述铂催化剂具有优异的氧还原活性，半波电位可可高达0.9V以上。
[0028]本专利技术又一方面提供了一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂催化剂的应用，所述应用可包括将如上任意一项所述的铂催化剂应用于燃料电池、去氢反应、芳环加氢反应、过氧化氢分解或气体纯化。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果可包括以下内容中至少一项：
[0030](1)本专利技术采用直流电弧法，设备简单、生产成本低、生产效率高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法，其特征在于，所述负载铂的方法包括步骤：将杂元素物质与石墨粉以质量比为1:3～10:1混合预定时间，得到杂原子前驱体；将所述杂原子前躯体置入带孔的石墨棒中并压实，将所述石墨棒干燥预定时间，得到等离子体阳极；以纯石墨棒为阴极，与所述等离子体阳极竖直相对放置在电弧炉中，将电弧炉抽真空后，充入缓冲气体并启动电弧，反应预定时间段，得到杂原子掺杂碳纳米角；将所述杂原子掺杂碳纳米角分散于还原性溶液中，加入铂盐搅拌均匀，加热并搅拌进行还原反应，离心、洗涤、干燥后得到以杂原子掺杂碳纳米角为载体，铂纳米颗粒为活性成分的低铂负载催化剂。2.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法，其特征在于，所述杂元素物质为硫或含硫有机物、磷或含磷有机物、含氮有机物、含氯有机物、含氟有机物、含溴有机物、含碘有机物中的至少一种。3.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法，其特征在于，所述混合预定时间为20min～40min，所述干燥预定时间为4h～6h，所述反应预定时间为5min～100min；所述杂原子前驱体压实的压力为0.02MPa～0.05MPa，杂原子前驱体压实后距孔顶端距离为2mm～4mm。4.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳纳米角负载铂的方法，其特征在于，所述石墨棒纯度≥99.99％，且阴极石墨棒靠近等离子体阳极的一端为锥形，石墨棒的直径为10mm～60mm，石墨棒上孔的孔径为5mm～10mm，两极之间间距为2mm～6mm；所述电弧的工作电流为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁风，解志鹏，张达，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：