一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂机器及其制备方法，铂纳米颗粒均匀、牢固地分布在掺氮碳表面，其中氮掺杂量不大于20at％。其制备方法，包括以下步骤：掺氮碳载体的制备：称取一定量的含氮化合物与一定量的炭黑材料混合，球磨后置于保护气体中高温热解，自然冷却得到掺氮碳载体；再将一定量的铂化合物、氢氧化钠溶于乙二醇，加入一定量的掺氮碳载体，混合均匀后得到前驱体分散液；再将前驱体分散液置于微波反应器内，在一定功率和温度下进行微波反应，后经酸纯化、去离子水透析、干燥，即得掺氮碳为载体的铂电催化剂。本发明专利技术所制得的催化剂具有优异的氧还原反应催化活性和良好的耐久性，且制备方法简单易行，适合规模化生产。模化生产。模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于新能源
，涉及一种燃料电池阴极用电催化剂，具体涉及一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了减少化石燃料的消耗和缓解相关的环境污染问题，燃料电池因其能够提供清洁和可持续的能源转换途径等优点吸引了广泛的兴趣。然而，燃料电池受到阴极氧还原反应(ORR)缓慢动力学的限制，目前Pt仍旧是最有效的ORR电催化剂。因此，燃料电池研究的主要工作之一是设计并开发高催化活性和耐久性的Pt基电催化剂，使其具有商业可行性。
[0003]碳黑载Pt催化剂(Pt/C)是现阶段商业化燃料电池中普遍使用的ORR电催化剂，尽管如此，其在燃料电池运行过程中会发生溶解、聚集和分离，从而影响燃料电池的性能与稳定性。掺氮碳材料可以增加碳材料的亲氧性和催化剂的分散性、提高电导率并促进ORR过程中的电子传递等，被评价为提高Pt电催化剂ORR活性和耐久性的良好载体。此外，研究表明氮和碳之间的强电负性差可以增强金属与载体间的相互作用，从而稳定地锚定Pt纳米颗粒，对提高催化剂活性和稳定性具有重要的意义。
[0004]合成Pt/C催化剂常用的制备方法有浸渍还原法、油胺法、胶体法、醇热法等，它们各有优势，但这些传统方法仍然难以获得大小和形状均匀的超细铂纳米颗粒(PtNPs)。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂及其制备方法，本专利技术构建了一种氮掺杂的新型碳载体，将其与铂的前驱体直接复合，并通过一步微波法制备了掺氮碳作为载体的铂电催化剂。本专利技术提供一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂，其具备优异催化活性和高稳定性。
[0006]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂，铂纳米颗粒均匀、牢固地分布在掺氮碳表面，其中氮掺杂量不大于20at％。
[0008]优选地，铂纳米颗粒的粒径为1～5nm。进一步优选地，铂纳米颗粒的粒径为2～3.5nm。
[0009]优选地，氮掺杂为吡啶
‑
N、Pt
‑
N、吡咯
‑
N、石墨
‑
N和氧化
‑
N；Pt/N
‑
C中的Pt0含量不低于48％。
[0010]优选地，本专利技术所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂ECSA不低于78.6m2g
Pt
‑1，半波电势不低于0.873V(vs.RHE)。
[0011]一种本专利技术所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)掺氮碳载体的制备：
[0013]按照含氮化合物与炭黑材料的质量比为(0～20)：1的比例，将含氮化合物与炭黑材料进行球磨混合，且其中含氮化合物加入量不为0；球磨后，将混合料置于保护气体中，进
行高温热解，然后自然冷却，得到掺氮碳载体；
[0014](2)采用易溶于乙二醇溶剂的碱，将铂化合物、所述碱溶于乙二醇，加入在所述步骤(1)中制备的掺氮碳载体，在混合均匀后，得到前驱体分散液；
[0015]其中，掺氮碳：铂化合物：碱的摩尔比为(0～1)：1：(1.25～40)，且其中掺氮碳加入量不为0；
[0016](3)将在所述步骤(2)中得到的前驱体分散液置于微波反应器内，进行微波反应，然后经酸纯化、去离子水透析、干燥，即得掺氮碳为载体的铂电催化剂。
[0017]本专利技术采用微波加热作为简单、快速、高效的制备手段，能够使反应器中的物质均匀受热升温，提高了催化剂的成核与结晶速度。因此，微波技术能快速合成尺寸和形貌均一的Pt NPs，适合连续批量化生产，具有重要的科学和实际意义。
[0018]优选地，在所述步骤(1)中，含氮化合物为尿素、缩二脲、三聚氰胺、氨基酸和碳酸铵中的至少一种。
[0019]优选地，在所述步骤(1)中，炭黑材料为Vulcan XC
‑
72R、Vulcan XC
‑
72、BP2000、EC300J、EC600JD中的至少一种。
[0020]优选地，在所述步骤(1)中，保护气体为氮气、氩气、氨气中的至少一种。
[0021]优选地，在所述步骤(2)中，铂化合物为乙酰丙酮铂、氯铂酸、氯铂酸钾、氯化铂中的至少一种。
[0022]优选地，在所述步骤(2)中，碱采用氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。
[0023]优选地，在所述步骤(1)中，球磨采用干磨或湿磨的操作方式，球磨时间为1min～1h；
[0024]优选地，在所述步骤(1)中，含氮化合物与炭黑材料的质量比为(10～20)：1。
[0025]优选地，在所述步骤(1)中，热解温度为600～1200℃、热解时间为0.5～5h。进一步优选地，热解温度为950～1200℃、热解时间为1～5h。
[0026]优选地，在所述步骤(3)中，微波反应的功率为80～800W、温度为80～197℃、时间为1～300s。
[0027]优选地，在所述步骤(3)中，酸为无机酸、有机酸中的至少一种，酸纯化后，通过去离子水透析得到掺氮碳作为载体的铂电催化剂，是一种高品质的电催化剂。
[0028]本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0029]1.本专利技术电催化剂的掺氮碳载体中存在杂原子氮，不仅可以创造新的活性位点助催化，还能够增强载体对铂纳米颗粒的锚定能力；
[0030]2.本专利技术通过微波法合成掺氮碳载铂电催化剂，弱碱性醇类既作为溶剂又作为还原剂，方法简便、耗能低、后处理方便；
[0031]3.本专利技术合成的超细铂纳米颗粒均匀分散在掺氮碳载体上，较商业Pt/C表现出优异的催化活性和稳定性能。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂对比商业Pt/C催化剂的透射电子显微镜(TEM)图。
[0033]图2为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂的粉末X射线衍射(XRD)谱图。
[0034]图3为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂对比商业Pt/C催化剂的X射线光电子能谱(XPS)。
[0035]图4为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂的N1s XPS谱。
[0036]图5为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂对比商业Pt/C催化剂的Pt4fXPS谱。
[0037]图6为本专利技术实施例1制备得到的掺氮碳载铂催化剂对比商业Pt/C催化剂的循环伏安(CV)图(图6a)和氧还原反应极化曲线图(图6b)。
[0038]图7为本专利技术实施例1制备得到的Pt/N
‑
C催化剂对比商业Pt/C催化剂的电流
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺氮碳作为载体的铂电催化剂，其特征在于：铂纳米颗粒均匀、牢固地分布在掺氮碳表面，其中氮掺杂量不大于20at％。2.根据权利要求1所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂，其特征在于：铂纳米颗粒的粒径为1～5nm。3.根据权利要求1所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂，其特征在于：氮掺杂为吡啶
‑
N、Pt
‑
N、吡咯
‑
N、石墨
‑
N和氧化
‑
N；Pt/N
‑
C中的Pt0含量不低于48％。4.根据权利要求1所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂，其特征在于：其ECSA不低于78.6m2g
Pt
‑1，半波电势不低于0.873V(vs.RHE)。5.一种权利要求1所述掺氮碳作为载体的铂电催化剂的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：(1)掺氮碳载体的制备：按照含氮化合物与炭黑材料的质量比为(0～20)：1的比例，将含氮化合物与炭黑材料进行球磨混合，且其中含氮化合物加入量不为0；球磨后，将混合料置于保护气体中，进行高温热解，然后自然冷却，得到掺氮碳载体；(2)采用易溶于乙二醇溶剂的碱，将铂化合物、所述碱溶于乙二醇，加入在所述步骤(1)中制备的掺氮碳载体，在混合均匀后，得到前驱体分散液；其中，掺氮碳：铂化合物：碱的摩尔比为(0～1)：1：(1.25～40)，且其中掺氮碳加入量不为0；(3)将在所述步骤(2)中得到的前驱体分散液置于微波反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世明，蔡佳琳，容忠言，张久俊，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：