本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法。本发明专利技术提供的制备方法中，氮掺杂碳材料是由含氮金属有机框架材料热解形成，利用该材料负载Pt前驱体之后在惰性气体和氨气气氛中进行煅烧得到掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂；该方法制得的催化剂中，Pt纳米颗粒的尺寸均一且粒径较小，具有较高的电催化氧还原活性和稳定性，在质子交换膜燃料电池中展现出优异的性能。现出优异的性能。现出优异的性能。
【技术实现步骤摘要】
一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法
[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法。
技术介绍
[0002]开发具有高活性、低成本的氧还原(Oxygen reduction reaction，ORR)电催化剂是降低质子交换膜燃料电池成本的核心问题。目前，铂(Platinum，Pt)基催化剂是酸性体系中性能最优异的ORR催化剂。为了进一步提高催化剂的性能，美国能源部(Department of Energy，DOE)设定了相应目标，即到2025年Pt基催化剂的质量活性(Mass activity，MA)大于0.44A/mgPt@0.9ViR
‑
free。
[0003]目前报道的Pt基催化剂具有以下的缺点：1.利用传统方法制备得到的催化剂中，Pt纳米颗粒(Nanoparticles，NPs)具有较大的尺寸分布，暴露在颗粒表面的Pt原子比例较低，限制了MA的提升。通过简单制备方法难以实现Pt纳米颗粒尺寸的可控调节。2.无孔或者以微孔结构为主的碳载体材料不利于三相界面的传质过程，同时也无法避免离聚物与Pt纳米颗粒的直接接触，易导致Pt的毒化。
[0004]由于燃料电池膜电极(Membrane electrode assembly，MEA)上的电化学反应环境复杂，ORR只在有限的三相界面处发生。因此，立足于调控活性位点和优化三相界面传质结构，设计和制备高性能的燃料电池阴极催化剂十分迫切。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，该方法可全部或部分解决现有技术中存在的以MOFs材料为前驱体难以制备得到介孔碳载体材料、传统方法制备得到的催化剂中Pt纳米颗粒具有较大的尺寸分布等问题。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂，该催化剂中Pt纳米颗粒均匀分布，尺寸较小，具有较高的活性和稳定性。
[0008]本专利技术的第三目的在于提供一种燃料电池膜电极，包括如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。
[0009]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0010]本专利技术提供了掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0011](A)唑类有机配体和锌金属盐反应合成金属有机框架前驱体材料；
[0012](B)所述金属有机框架前驱体材料在惰性气氛中进行热解得到氮掺杂碳材料；
[0013](C)所述氮掺杂碳材料进行Pt前驱体担载得到担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料；
[0014](D)所述担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料依次在惰性气氛中煅烧、氨气气氛中煅烧后得到所述掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。
[0015]本专利技术还提供了掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂，采用如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂制备方法制备得到。
[0016]本专利技术还提供了燃料电池膜电极，包括如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0018](1)本专利技术采用唑类有机配体和锌盐反应制得MOFs前驱体材料，通过优化热解条件，制备了粒径为200nm左右，具有丰富的介孔结构的氮掺杂碳材料，该氮掺杂碳材料的介孔比率约为0.82，丰富的介孔能够暴露出更多的Pt位点，为传质提供通道。
[0019](2)本专利技术通过简单的液相/气相担载法和高温煅烧还原处理实现了Pt纳米颗粒均一、稳定地负载在掺氮介孔碳中，避免了繁琐的后处理步骤，可拓展到其它研究体系。
[0020](3)本专利技术通过控制高温还原Pt的煅烧温度，即调控在惰性气氛中煅烧的温度，可制备负载不同粒径且均匀分布的Pt纳米颗粒的掺氮介孔碳催化剂；随着煅烧温度的升高，Pt纳米颗粒的粒径增大，实现了对于催化剂中Pt纳米颗粒的粒径的精准调控。
[0021](4)本专利技术提供的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，可以实现超小Pt纳米颗粒(粒径尺寸约为1.5nm)的负载，由于超小的Pt纳米颗粒和富介孔的氮掺杂碳材料载体，该催化剂在原盘电位仪(RDE)测试中展现出较高的ORR活性和稳定性；以低Pt负载量进行MEA性能测试，在H2‑
O2燃料电池中Pmax高达2.2W cm
‑2，在H2‑
Air燃料电池中也具有较高的Pmax，其为0.99W cm
‑2，在燃料电池中展现出优异的电催化氧还原性能。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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的附图。
[0023]图1为本专利技术实施例1中的MET(Zn)的PXRD谱图和N2吸脱附曲线。
[0024]图2为本专利技术实施例1中的MET(Zn)的SEM图像。
[0025]图3为本专利技术实施例1中的NC的SEM图、STEM图、TEM图和HRTEM图。
[0026]图4为本专利技术实施例1中的NC和MeCpPtMe3@NC的N2吸脱附曲线和QSDFT孔径分布曲线。
[0027]图5为本专利技术实施例1中的Pt/NC
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700、实施例2中的Pt/NC
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800和实施例3中的Pt/NC
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900的PXRD谱图。
[0028]图6为本专利技术实施例1中的Pt/NC
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700、实施例2中的Pt/NC
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800和实施例3中的Pt/NC
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900的尺寸为200nm的TEM图、尺寸为100nm的STEM图和尺寸为20nm的TEM图。
[0029]图7为本专利技术实施例1中的Pt/NC
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700
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NH3、实施例2中的Pt/NC
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800
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NH3和实施例3中的Pt/NC
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900
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NH3的PXRD谱图。
[0030]图8为本专利技术实施例1中的Pt/NC
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700
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NH3的尺寸为200nm的STEM图、TEM图、尺寸为50nm的STEM图和EDS面分布图。
[0031]图9为本专利技术实施例2中的Pt/NC
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800
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NH3和实施例3中的Pt/NC
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900
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NH3的STEM图、TEM图和粒径分布图。
[0032]图10为本专利技术实施例1中的Pt/NC
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700
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NH3、实施例2本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)唑类有机配体和锌金属盐反应合成金属有机框架前驱体材料；(B)所述金属有机框架前驱体材料在惰性气氛中进行热解得到氮掺杂碳材料；(C)所述氮掺杂碳材料进行Pt前驱体担载得到担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料；(D)所述担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料依次在惰性气氛中煅烧、氨气气氛中煅烧后得到所述掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。2.根据权利要求1所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(A)中，所述唑类有机配体包括咪唑、2
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甲基咪唑、2
‑
硝基咪唑、苯并咪唑、1H
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1,2,3
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三氮唑和1H
‑
1,2,4
‑
三氮唑中的一种或多种；优选地，所述锌金属盐包括二水合醋酸锌、六水合硝酸锌和氯化锌中的一种或多种；优选地，所述唑类有机配体与所述锌金属盐的摩尔比为2～4：1。3.根据权利要求1所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(A)中，将所述唑类有机配体、所述锌金属盐和溶剂A的混合溶液反应后，离心分离得到固体，所述固体依次进行洗涤、溶剂置换、真空干燥和预处理得到所述金属有机框架前驱体材料；优选地，所述反应的方法包括室温搅拌法和溶剂热法；优选地，所述室温搅拌法包括在20～30℃下搅拌反应；优选地，所述溶剂热法的温度为80～120℃；优选地，所述溶剂A包括N,N
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二甲基甲酰胺、甲醇、水和乙醇中的至少一种；优选地，所述溶剂置换的溶剂包括甲醇和/或乙醇；优选地，所述溶剂置换的温度为20～60℃，所述溶剂置换的时间为24～72h；优选地，所述预处理的温度为90～150℃；所述预处理的时间为6～24h；优选地，所述混合液中，锌金属盐的浓度为0.1～0.3mol L
‑1。4.根据权利要求1所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(B)中，所述热解包括将所述金属有机框架前驱体材料升温至850～950℃进行煅烧，保温100～140min；优选地，每次煅烧所述金属有机框架前驱体材...
【专利技术属性】
技术研发人员：王博，王璐，黄崎瑞，胡琳钰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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