一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料、其制备方法及应用，以及空气电极和燃料电池技术

本发明专利技术提供一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料、其制备方法及应用，以及空气电极和燃料电池。本发明专利技术提供的制备方法包括：a)将生物质花生壳粉与活化剂混合，热处理，得到花生壳生物质碳；b)将所述花生壳生物质碳与苯甲醛、吡咯混合进行原位反应，得到5,10,15,20

【技术实现步骤摘要】
一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料、其制备方法及应用，以及空气电极和燃料电池


[0001]本专利技术涉及能源材料领域，特别涉及一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料、其制备方法及应用，以及空气电极和燃料电池。

技术介绍

[0002]自第一次工业革命以来，以碳为基础的化石燃料，包括石油、煤和天然气，已经逐渐成为我们日常生活中的必不可少的一部分。但是，随着人口爆炸和工业扩张，地球目前正面临严重的能源危机、重大的气候变化和巨大的环境挑战。传统碳源产生的燃料导致温室气体增加，进而导致全球变暖。能源供应的减少和环境费用的增加让人们的注意力转移到了开发高效、环保的清洁可再生能源收集技术。
[0003]太阳能、水能、风能、生物能等可再生能源受到广泛关注，但是由于受到自然条件限制，这些清洁能源的能量输出具有季节性和间接性。因此，具有清洁、高效、可持续的能量存储和转换系统如燃料电池、金属
‑
空气电池、电解水制氢等备受青睐，被认为是生产清洁能源的有效途径。但是，这些系统的实际应用依赖于氧还原反应(ORR)和氢析出反应(HER)等反应。
[0004]贵金属Pt基催化剂被认为是目前最实用的ORR、HER催化剂，然而，由于Pt的高成本和供应有限，降低催化层中的Pt负载量从而降低成本是这类催化剂实现广泛商业化的关键目标之一。最常用的策略是将贵金属与其他金属元素合金化，采用相对廉价的过渡金属与Pt形成合金，不仅可以有效降低催化剂的Pt使用量，提高催化剂的Pt利用率，更能通过非Pt金属M，对Pt进行电子作用的影响，调整Pt的原有电子结构，从而改变单个Pt的催化本征活性。但是在制备有序结构的PtM合金时必须经过高温热解处理，这会导致合金纳米粒子发生严重的团聚烧结现象，减少电化学活性比表面积并最终降低催化反应活性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料、其制备方法及应用，以及空气电极和燃料电池。本专利技术提供的卟啉衍生碳基PtFe合金材料能够作为氧还原及析氢催化剂有效提高氧还原催化性能及析氢催化性能，且具有良好的催化稳定性。
[0006]本专利技术提供了一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]a)将生物质花生壳粉与活化剂混合，热处理，得到花生壳生物质碳；
[0008]b)将所述花生壳生物质碳与苯甲醛、吡咯混合进行原位反应，得到5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物；
[0009]c)将所述5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物与PtCl2反应生成5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铂，而后与5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铁混合，得到前驱体；
[0010]d)对所述前驱体进行热解处理，得到卟啉衍生碳基PtFe合金材料。
[0011]优选的，所述步骤a)中：
[0012]所述活化剂选自KOH、Zn(NO3)2和ZnCl2中的一种或几种；
[0013]所述热处理的温度为700～900℃。
[0014]优选的，所述步骤b)中，所述原位反应的温度为135～140℃。
[0015]优选的，所述步骤c)中，所述反应的温度为185～190℃；
[0016]所述步骤d)中，所述热解处理的温度为800～900℃。
[0017]优选的，所述步骤b)具体包括：
[0018]b1)将所述花生壳生物质碳分散于有机溶剂中，得到花生壳生物质碳分散液；再与苯甲醛混合，得到混合液A；
[0019]b2)将吡咯溶于有机溶剂中，得到吡咯溶液；
[0020]b3)将所述吡咯溶液滴加到所述混合液A中进行原位反应，得到5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物；
[0021]其中，步骤b1)和步骤b2)没有顺序限制。
[0022]优选的，所述步骤c)具体包括：
[0023]c1)将PtCl2分散于苯甲腈中，升温进行预反应，得到预反应物；
[0024]c2)将所述预反应物与5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物混合继续反应，得到5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铂
‑
生物碳载体复合物；
[0025]c3)将所述5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铂
‑
生物碳载体复合物与5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铁混合，得到前驱体。
[0026]本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的卟啉衍生碳基PtFe合金材料。
[0027]本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的卟啉衍生碳基PtFe合金材料作为氧还原催化剂或析氢催化剂的应用。
[0028]本专利技术还提供了一种空气电极，包括载体和负载于所述载体上的催化剂；所述催化剂为上述技术方案中所述的卟啉衍生碳基PtFe合金材料。
[0029]本专利技术还提供了一种燃料电池，其中的空气电极为上述技术方案中所述的空气电极。
[0030]本专利技术提供的上述制备方法，首先将生物质花生壳粉末用活化剂活化热解并酸洗处理，在此基础上原位反应形成5,10,15,20
‑
四苯基卟啉，然后再进一步原位合成PtTPP(5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铂)，然后加入FeTPP(5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铁)，随后高温热解使Pt与Fe合金化，获得了一种有高比表面积的微孔材料。在此合成过程中，利用原位合成的策略，PtTPP可以均匀地生长在生物质碳上，然后引入了相对廉价的FeTPP，Fe与Pt形成合金，不仅可以有效降低催化剂的Pt负载量，提高Pt利用率，更能调整Pt的原有电子结构，从而改变单个Pt的催化本征活性。并且卟啉中的N与活性位点进行相互作用，也能提升活性位点的固有活性。此外，通过π
‑
π相互作用，可以有效保护卟啉环中心金属，避免高温下金属纳米粒子的烧结团聚，从而使活性位点有效分散，最终获得了一种铂、铁、氮掺杂的碳基催化剂。本专利技术所得催化剂具有高效的ORR、HER催化性能及优于商业铂碳的稳定性，可应用作燃料电池中的空气电极催化剂。
[0031]试验结果表明，本专利技术提供的卟啉衍生碳基PtFe合金材料催化剂表现出高效的氧还原电化学性能、析氢性能和稳定性。氧还原电化学反应的半波电位达到0.85V vs.RHE以
上，在同等条件下优于商业铂碳Pt/C(0.84V vs.RHE)；在循环5000圈后，PtFeTPP@bioC的氧还原半波电位仅下降了9mv，并且在运行20000s后仍能保持原电流密度的93％以上，而商业铂碳催化剂在20000s后电流密度仅为原来的68％，本专利技术催化剂的催化稳定性远远优于商业本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卟啉衍生碳基PtFe合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)将生物质花生壳粉与活化剂混合，热处理，得到花生壳生物质碳；b)将所述花生壳生物质碳与苯甲醛、吡咯混合进行原位反应，得到5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物；c)将所述5,10,15,20
‑
四苯基卟啉
‑
生物碳载体复合物与PtCl2反应生成5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铂，而后与5,10,15,20
‑
四苯基卟啉铁混合，得到前驱体；d)对所述前驱体进行热解处理，得到卟啉衍生碳基PtFe合金材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中：所述活化剂选自KOH、Zn(NO3)2和ZnCl2中的一种或几种；所述热处理的温度为700～900℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述原位反应的温度为135～140℃。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述反应的温度为185～190℃；所述步骤d)中，所述热解处理的温度为800～900℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括：b1)将所述花生壳生物质碳分散于有机溶剂中，得到花生壳生物质碳分散液；再与苯甲醛混合，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天乐，陈艳丽，王洪记，秦其智，刘海燕，张路，张海勇，肖作旭，周露露，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：