双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法技术

本申请提供一种双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法，双官能团为氮元素掺杂及氨基改性，涉及燃料电池领域。制备方法包括：获得表面具有N元素掺杂及NH2基团改性的碳载体。将改性碳载体均匀分散于还原剂中以形成悬浊液，将悬浊液与铂盐前驱体溶液混合并进行还原反应，以使铂离子还原成铂单质并负载于改性碳载体的表面，随后离心、过滤、干燥，获得第一粉末。利用惰性无机盐重结晶固化封装第一粉末后，在300

【技术实现步骤摘要】
双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法


[0001]本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)使用氢气作为清洁能源载体在时代的需求下日益受到社会各界的广泛关注。PEMFC阴极、阳极催化剂作为其核心原材料直接影响到成品电堆的电功率密度、耐久等方面的性能。
[0003]商用燃料电池阴极侧催化剂多为负载型Pt/C催化剂，其理论上具有优异的氧还原反应电催化活性，但在实际应用中受限于目前的负载型贵金属催化剂制备方法以及原材料的预处理工艺，包括载体的种类、载体的微孔道结构分布、载体表面官能团及活性位点分布、金属颗粒在载体表面相对位置分布、金属颗粒与载体的结合强度、金属颗粒粒径分布、形貌及晶型等多方面的影响，使得铂碳催化剂的活性以及耐久性不佳，进一步地，将其应用于膜电极组件(MEA，Membrane Electrode Assembly)时，导致膜电极组件在电堆模拟路跑工况等实际使用条件下的性能及寿命仍具有较大的提升空间。

技术实现思路

[0004]本申请实施例的目的在于提供一种双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法，其能够通过改善铂碳催化剂的活性以及耐久性，使得该铂碳催化剂应用于MEA时，兼顾提高MEA的性能及寿命。
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种双官能团改性铂碳催化剂的制备方法，制备方法包括以下步骤：
[0006]获得表面具有氮元素掺杂及NH2改性的碳载体作为改性碳载体。
[0007]将改性碳载体均匀分散于还原剂中以形成悬浊液，将悬浊液与铂盐前驱体溶液混合并进行还原反应，以使铂离子还原成铂单质并负载于改性碳载体的表面，随后将产品离心、过滤、干燥，获得第一粉末。
[0008]利用惰性无机盐重结晶固化封装第一粉末后，在300
‑
600℃退火1
‑
3h，获得表面包覆有惰性无机盐层的第二粉末。
[0009]去除惰性无机盐层。
[0010]本申请提供的制备方法中，利用碳载体表面引入极性基团
‑
NH2，可赋予碳载体亲水性从而提升催化剂应用于膜电极中在测试工况中的水传输效率，同时使得碳载体具备空间位阻效应实现抑制铂颗粒在模拟老化工况中的团聚；另外利用N元素掺杂碳载体，调控碳载体表面电负性，增强碳载体表面的吸附铂离子的能力，后续还原过程中可实现原位锚定铂颗粒，并且基于N元素的锚定作用使得被吸附于碳载体表面的铂颗粒，不仅具有纳米尺度，而且与碳载体之间具有能够优化铂颗粒的表面电子结构的强相互作用，从而提高其电催化活性；利用铂颗粒与碳载体间的强相互作用以及碳载体表面官能团的位阻作用共同配
合，有效提升了催化剂的稳定性。退火前采用惰性无机盐重结晶固化封装第一粉末，则不仅能够抑制热处理过程中金属颗粒的熟化、迁移、团聚，实现铂颗粒尺寸均一化且细小化，且能够获得高活性晶面的铂颗粒，以提高双官能团改性铂碳催化剂的活性。
[0011]综上，本申请提供的制备方法操作可控，可制得双官能团改性铂碳催化剂，以有效提升制备的铂碳催化剂的活性以及耐久性。
[0012]第二方面，本申请实施例提供一种双官能团改性铂碳催化剂，其由上述制备方法制得。
[0013]采用本申请的制备方法制得的双官能团改性铂碳催化剂中，铂颗粒粒径分布均匀，晶型可控，多为高活性晶面，用于燃料电池膜电极中可实现较高的电化学性能。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0015]图1为本申请提供的双官能团改性铂碳催化剂的制备流程图；
[0016]图2示出了实施例1提供的双官能团改性铂碳催化剂的TEM图；
[0017]图3示出了对比例1提供的催化剂的TEM图；
[0018]图4示出了对比例2提供的催化剂的TEM图；
[0019]图5示出了对比例3提供的催化剂的TEM图；
[0020]图6示出了对比例4提供的催化剂的TEM图；
[0021]图7示出了对比例5提供的催化剂的TEM图；
[0022]图8示出了对比例6提供的催化剂的TEM图；
[0023]图9示出了对比例7提供的催化剂的TEM图；
[0024]图10示出了对比例8提供的催化剂的TEM图；
[0025]图11示出了实施例1与对比例1
‑
4提供的催化剂制备的50cm2单片电池在进行催化剂初始性能测试过程的VI性能变化；
[0026]图12示出了实施例1与对比例5
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6提供的催化剂制备的50cm2单片电池在进行催化剂初始及老化性能测试过程的VI性能变化；
[0027]图13示出了实施例1与对比例7提供的催化剂制备的50cm2单片电池在进行催化剂初始及老化性能测试过程的VI性能变化；
[0028]图14示出了实施例1提供的催化剂制备的50cm2单片电池在进行催化剂初始性能测试过程的VI性能变化及电功率密度。
具体实施方式
[0029]下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0030]本申请中，双官能团为氮元素掺杂及氨基改性。
[0031]以下针对本申请实施例的双官能团改性铂碳催化剂及其制备方法进行具体说明：
[0032]图1为本申请提供的双官能团改性铂碳催化剂的制备流程图。请参阅图1，本申请提供的双官能团改性铂碳催化剂的制备方法包括以下步骤：
[0033]S1、获得表面具有氮元素掺杂及NH2改性的碳载体作为改性碳载体。
[0034]利用碳载体表面引入极性基团
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NH2，可赋予碳载体亲水性以及空间位阻效应抑制铂颗粒在模拟老化工况中的团聚，同时利用N元素掺杂碳载体，以调控碳载体表面电负性，增强碳载体表面的吸附铂离子的能力，后续还原过程中可实现原位锚定铂颗粒，并且基于N元素的锚定作用被吸附于碳载体表面的铂颗粒，不仅具有纳米尺度，而且与碳载体之间具有能够优化铂颗粒的表面电子结构的强相互作用，从而提高其电催化活性；利用铂颗粒与碳载体间的强相互作用以及碳载体表面官能团的位阻作用共同配合，有效提升了催化剂的稳定性。
[0035]在一些可选地示例中，获得上述改性碳载体的步骤包括：将碳载体、溶剂以及表面改性剂混合后超声分散10
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30min，例如超声分散10min、15m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双官能团改性铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：获得表面具有N元素掺杂及NH2改性的碳载体作为改性碳载体；将所述改性碳载体均匀分散于还原剂中以形成悬浊液，将所述悬浊液与铂盐前驱体溶液混合并进行还原反应，以使铂离子还原成铂单质并负载于所述改性碳载体的表面，随后离心、过滤、干燥，获得第一粉末；利用惰性无机盐重结晶固化封装所述第一粉末后，在300
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600℃退火1
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3h，获得表面包覆有惰性无机盐层的第二粉末；去除所述惰性无机盐层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，获得所述改性碳载体的步骤包括：将碳载体、溶剂以及表面改性剂混合后超声分散10
‑
30min，随后搅拌至少1h，其中所述表面改性剂具有N元素及NH2基团；所述碳载体和所述表面改性剂的质量比为20
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200:1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述表面改性剂包括3
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氨基丙基三乙氧基硅烷、聚多巴胺和聚苯胺中的至少一种；可选地，所述溶剂包括去离子水、乙醇、异丙醇中的至少一种；可选地，所述碳载体包括BP2000，XC
‑
72，EC300JD，EC600JD中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性无机盐的热分解温度大于所述退火的温度；可选地，所述惰性无机盐包括氯化钠和氯化钾中的至少一种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述利用惰性无机盐重结晶固化封装所述第一粉末的步骤包括：将所述第一粉末反复浸没于过饱和的惰性无机盐溶液中，蒸发结晶，以得到被所述惰性无机盐包覆的所述第一粉末；可选地，所述惰性无机盐溶液的温度为50
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80℃。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：王晓云，吕俊霖，王宇佳，范书琼，米诗阳，吴丹，朱威，
申请(专利权)人：江苏擎动新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：