一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C及其制备方法和应用，其制备方法为：将金属有机骨架化合物ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化剂
，具体涉及一种氧还原/氢析出反应电催化剂 Pt3Co/Co@C及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源与环境问题的之间的矛盾日益加剧，各种新式能源装置得到了广泛的研究与利用。其中，低温质子交换膜燃料电池作为一类绿色环保的能源储存与转化装置，因其具有高转化效率、零碳排放和应用领域宽广等优点，受到了广泛的研究。燃料电池在反应过程中只涉及氢气、氧气和水三种反应物，反应时没有污染物释放，对环境是友好的。其中，氧气作为电池阴极的重要反应物，决定了燃料电池在反应过程中的能量释放效率。由于目前商用Pt/C 催化剂成本太高、循环稳定性较差等缺点阻碍了其大规模商业应用。现有的研究表明，开发贵金属基合金催化剂可以实现高效催化ORR/HER过程，降低成本的同时提高催化剂的本征活性和稳定性。因此，探索和研发高性能、低成本和良好循环稳定性的低Pt合金电催化剂以加速ORR/HER反应是迈向下一代可再生电化学能源技术广泛应用的重要步骤。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C及其制备方法和应用，该电催化剂Pt3Co/Co@C中的Pt含量较低，使其成本得以降低，且该电催化剂的合成简单，易于大规模合成，该催化剂具内部具有多孔结构的C载体，使得电催化剂具有较好的电催化性能，该电催化剂有效解决了现有的电催化剂存在的成本高的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005]一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将金属有机骨架化合物ZIF
‑
67和氯铂酸六水合物溶解于去离子水中，超声均质，然后搅拌处理，离心，收集沉淀物并洗涤干燥，得前驱体；
[0007](2)将步骤(1)中前驱体研磨，并与多巴胺单体和三羟甲基氨基甲烷缓冲液混合，搅拌混匀，然后离心、洗涤，干燥；
[0008](3)将步骤(2)中干燥产物研磨后，于惰性气体环境下进行退火，冷却至室温后将其置于硫酸中刻蚀，干燥，制得Pt3Co/Co@C电催化剂。
[0009]进一步地，金属有机骨架化合物ZIF
‑
67通过以下方法制备：将二甲基咪唑和硝酸钴六水合物分别溶于乙醇溶液中，得二甲基咪唑溶液和硝酸钴溶液，然后同时于60
‑
70℃条件下水浴加热30
‑
100min，加热结束后，将硝酸钴溶液缓慢倒入而甲基咪唑溶液中，然后静置15
‑
40h，离心收集并烘干即得ZIF
‑
67粉体。
[0010]进一步地，步骤(1)中氯铂酸六水合物和ZIF
‑
67的质量比为5
‑
20:50
‑
300。
[0011]进一步地，步骤(1)中超声均质时间为0.5
‑
2h，搅拌处理时间为15
‑
40h。
[0012]上述方案中，通过超声处理，使得形成均匀的溶液；通过搅拌处理实现化学刻蚀作用，以使得Pt离子沉积。
[0013]进一步地，步骤(2)中前驱体、多巴胺单体和三羟甲基氨基甲烷缓冲液的质量体积比为1
‑
2g:1
‑
2g:100ml。
[0014]进一步地，步骤(2)中搅拌时间为3
‑
4h。
[0015]上述方案中，搅拌过程中，使得多巴胺包裹在前驱体外部，搅拌时间可影响多巴胺层的厚度。
[0016]进一步地，步骤(3)中退火条件为：以5
‑
15℃/min的升温速度升温至 700
‑
900℃条件下退火2
‑
4h。
[0017]上述方案中，退火过程中，使得ZIF
‑
67碳化，原位形成碳载体，且在热驱动下，Pt、Co原子会在碳载体上合金化形成Pt3Co合金，作为活性位点，增加催化剂活性。退火温度越高，形成的碳载体的缺陷越少，退火时间越长，碳化和合金化的完成度越好；退火过程中，升温速度过快，不利于碳载体内部形成孔隙结构，影响催化效果。
[0018]进一步地，步骤(3)中置于0.5M硫酸中刻蚀10
‑
20min。
[0019]上述方案中，在硫酸溶液中进行刻蚀，可去除由ZIF
‑
67衍生出的大颗粒Co，减少大颗粒Co对有效的催化活性中心的掩盖。
[0020]一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C，采用上述方法制备获得。
[0021]上述的氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C在电催化阴极氧还原/氢析出反应中的应用。
[0022]进一步地，具体使用方法为：将Pt3Co/Co@C电催化剂分散于由水、异丙醇和萘酚的混合溶液中，超声分散制得电极液，将电极液涂抹于电极表面，自然晾干，制得修饰电极，以该修饰电极为工作电极，Pt丝电极为对电极，氧化汞电极为参比电极，于电解液中进行电催化反应。
[0023]进一步地，水、异丙醇和萘酚的体积比为170:800:30，Pt3Co/Co@C电催化剂在混合溶液中的浓度为2
‑
5mg/mL。
[0024]本专利技术所产生的有益效果为：
[0025]1、本申请中的电催化剂为多孔碳负载的Pt3Co/Co复合催化剂，其具有更强的金属与载体的强相互作用，多孔结构限域策略抵抗了热处理烧结现象，保持Pt3Co/Co呈现纳米状态。同时，包含Pt3Co、Co复合组分的异质结构，两种结构均具有可作为催化活性中心，各组分活性位点的协同作用，其所表现出来的电催化活性优于单组分。因此，通过构建多孔碳载体负载的Pt3Co/Co复合催化剂，对于提升低温质子交换膜燃料电池ORR及电解水HER催化性能有着重要的作用。
[0026]2、本申请中的电催化剂原料来源丰富，简单易得，均为无毒材料，且其合成过程中主要涉及搅拌、真空干燥和煅烧等合成方法，便于操作，具有合成成本低的优点。
附图说明
[0027]图1为材料的SEM图及对应的EDS图，图a，b,c分别对应样品Pt3Co/Co @C
‑
700(实施例1)，Pt3Co/Co@C
‑
800(实施例2)和Pt3Co/Co@C
‑
900(实施例3)；
[0028]图2中a、c、e为Pt3Co/Co@C
‑
800(实施例2)的透射电子显微镜(TEM)图；b为Pt3Co/Co@C
‑
800(实施例2)的电子衍射图；d为Pt3Co/Co@C
‑
800(实施例2)的高分辨透射电子显微镜(HR
‑
TEM)图；f为c的面扫能谱(EDS)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金属有机骨架化合物ZIF
‑
67和氯铂酸六水合物溶解于去离子水中，超声均质，然后搅拌处理，离心，收集沉淀物并洗涤干燥，得前驱体；(2)将步骤(1)中前驱体研磨，并与多巴胺单体和三羟甲基氨基甲烷缓冲液混合，搅拌混匀，然后离心、洗涤，干燥；(3)将步骤(2)中干燥产物研磨后，于惰性气体环境下进行退火，冷却至室温后将其置于硫酸中刻蚀，干燥，制得Pt3Co/Co@C电催化剂。2.如权利要求1所述的氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C的制备方法，其特征在于，步骤(1)中氯铂酸六水合物和ZIF
‑
67的质量比为5
‑
20:50
‑
300。3.如权利要求1所述的氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C的制备方法，其特征在于，步骤(1)中超声均质时间为0.5
‑
2h，搅拌处理时间为15
‑
40h。4.如权利要求1所述的氧还原/氢析出反应电催化剂Pt3Co/Co@C的制备方法，其特征在于，步骤(2)中前驱体、多巴胺单体和三羟甲基氨基甲烷缓冲液的质量体积比为1
‑
2g:1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪长安，刘杰文，田传进，王丽，刘添立，李鹏章，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：