一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于新能源技术领域，具体提供了一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂及其制备方法，其中制备方法包括：将功能化碳纳米管分散在水溶液中，同时加入铁盐和尿素，在反应釜中进行水热反应后，取出过滤，干燥后得到粉末；将所述粉末分散在去离子水中，加入氯铂酸或者氯铂酸钾，搅拌溶解，然后用紫外线照射，结束后过滤，干燥，得到最终样品。碳纳米管为导电网络核心以及表面沉积的羟基氧化铁共轴结构具有高度稳定的复合结构，其导电网络与强极性的表面协同配合，促进铂原子的高度分散吸附，从而实现兼具高导电一维纳米管空间网络和高密度活性位点的复合材料设计。获得的催化剂材料其能量密度和稳定性具有明显优势。材料其能量密度和稳定性具有明显优势。材料其能量密度和稳定性具有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新能源
，更具体地，涉及一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]新能源代替传统能源，是解决传统能源使用所带来的二氧化碳排放和环境污染问题的有效手段。目前众多新能源中，氢能被视为清洁高效、安全可持续的二次能源。氢燃料电池技术便是氢能的重要应用之一。燃料电池能直接将化学能转变为电能，不需要热机过程，摆脱了卡诺循环限制，燃料电池能量转换更直接，利用率更高。氢燃料电池具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，是各国新能源动力系统领域重点发展的技术方向。
[0003]氢燃料电池阴极催化常用的制备方法包括浸渍还原法、多元醇法、胶体法等。其中，浸渍还原法过程简单，可用于批量制备铂(Pt)和Pt合金催化剂，但金属纳米粒子的粒径分布通常较宽、均匀性和分散性较差，尤其是金属负载量较大时，金属纳米粒子团聚较严重，影响了催化剂的活性和稳定性。多元醇法的主要原料为乙二醇和碱，价格低廉，乙二醇既作溶剂、又作还原剂和稳定剂，不额外使用其它的还原剂和表面活性剂，是一种较为绿色的制备方法。但乙二醇的化学性质活泼，产生较多的氧化还原副产物。胶体法操作简单，仅需将前驱体、表面活性剂、还原剂混合即可。但是胶体法仍存在一些缺点，如反应较剧烈，导致合成纳米晶体分散性差。
[0004]氢燃料电池的阳极与阴极都需要铂金(Pt)，分别发生氢氧化反应(HOR)和氧还原反应(ORR)。HOR在Pt表面的反应动力学较为容易实现。相比之下，ORR动力学过程缓慢，在工程应用中需要需要较高的Pt负载量实现高效反应。但Pt作为贵金属，资源稀缺导致价格昂贵，难以满足广大的民用市场应用。除此之外，铂颗粒在长期的放电过程中会发生熟化，颗粒持续长大，催化剂表面积减少，孔结构消弭，导致催化反应界面减少，氧气分子扩散受阻，最终表现为阴极电流大幅降低。目前，有效的技术手段是通过碳复合技术降低铂的含量，抑制铂颗粒的熟化，提供多孔碳网络维持氧分子的高效扩散迁移，如专利CN 114400333 A通过分散悬浮碳颗粒结合表面液相环境的强化小尺寸铂纳米颗粒在碳颗粒表面的均匀沉积。但是，铂纳米颗粒表面在酸性条件下依然会缓慢迁移，最终还是会出现颗粒长大，活性位点减小，电极性能衰退的问题。专利CN 114927708 A利用铂锰合金化方法强化铂的锚定的同时降低贵金属Pt的含量，但锰在酸性溶液中易流失，不仅会破坏Pt的锚定环境，使阴极氧还原性能降低，溶出的金属离子还会和质子交换膜的磺酸基团结合，降低催化剂层中质子传导率，使膜电极性能迅速衰减。
[0005]近年来，通过调控碳载体表面特性的方法被公布，如专利CN 114725412 A将氮掺杂氧化石墨烯吸附氯铂酸根进行共烧结，由于氮掺杂氧化石墨烯丰富的活性位点以及氮原子在高温下与铂结合形成的强化学键合，所制备的复合材料在石墨烯平面上较为均匀的高密度负载了铂纳米颗粒。但由于范德华力和π
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π相互作用，石墨烯具有很强的堆叠问题，会导致一定厚度的催化剂电极内部扩散困难，极为不利于氧分子扩散至电极催化剂层内部的
活性铂表面，最终影响阴极单位面积的电流密度。相较而言，碳纳米管的宏观电极能够自发形成纳米管在空间的无序堆叠，构成介孔纳米网络，对于气体扩散和电子传输极为有利，是质子交换膜燃料电池最有前途的催化剂载体。专利CN113113624B对比例中直接将碳纳米管与氯铂酸溶液进行复合反应，将铂负载于碳纳米管上，其结果显示商业化多壁碳纳米管粉体直接载Pt所得到的样品基本没有催化活性。因此需要设计更为有效的复合结构解决此一问题。
[0006]综上所述，设计具有合适纳米结构和表面性状的碳载体材料，使其兼具高度稳定，活性位点密度高的优异特性，作为氢燃料电池阴极材料满足持续稳定的在氧还原反应过程中提供高密度的阴极电流依然是该领域技术突破的核心问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术中存在的如何构建有效的高效稳定负载单原子铂活性位点多孔导电碳基网络的技术问题。
[0008]本专利技术提供了一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，包括：功能化碳纳米管，所述功能化碳纳米管的表面包裹羟基氧化铁纳米层。
[0009]优选地，所述羟基氧化铁纳米层的表明负载有多个单原子铂。
[0010]优选地，所述单原子铂通过铂
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碳键和铂
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氮键强化进行锚定。
[0011]优选地，所述铂的负载质量分数在0.5wt％至15wt％范围。
[0012]优选地，所述催化剂的直径在8纳米至200纳米范围，长度在5纳米至100微米范围。
[0013]本专利技术还提供了一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1，将功能化碳纳米管分散在水溶液中，同时加入铁盐和尿素，在反应釜中进行水热反应后，取出过滤，干燥后得到粉末；
[0015]S2，将所述粉末分散在去离子水中，加入氯铂酸或者氯铂酸钾，搅拌溶解，然后用紫外线照射，结束后过滤，干燥，得到最终样品。
[0016]优选地，所述S1中所加入的铁盐包括：三氯化铁、二茂铁、硝酸铁或硫酸铁中的一种或多种。
[0017]优选地，所述S1中反应釜的反应温度范围为120℃至270℃，反应时间为30分钟至48小时。
[0018]优选地，所述S2中的紫外线照射时间为30分钟至12小时。
[0019]本专利技术还提供了一种氢燃料电池负极所用催化剂材料，所述氢燃料电池负极所用催化剂材料包括共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂制备方法制备得到的最终样品。
[0020]有益效果：本专利技术提供的一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂及其制备方法，其中制备方法包括：将功能化碳纳米管分散在水溶液中，同时加入铁盐和尿素，在反应釜中进行水热反应后，取出过滤，干燥后得到粉末；将所述粉末分散在去离子水中，加入氯铂酸或者氯铂酸钾，搅拌溶解，然后用紫外线照射，结束后过滤，干燥，得到最终样品。碳纳米管为导电网络核心以及表面沉积的羟基氧化铁共轴结构具有高度稳定的复合结构，其导电网络与强极性的表面协同配合，促进铂原子的高度分散吸附，从而实现兼具高导电一维纳米管空间网络和高密度活性位点的复合材料设计，不存在前述专利中碳基材料负载铂颗
粒在长效放电后的颗粒长大和剥落造成的活性位点失效以及网络结构堵塞引起的氧气分子迁移受阻问题，通过这种导电骨架和高密度载体表面的结构一体化从根本上克服了此方面的问题。相较于目前公开的专利技术，本技术所获得的催化剂材料其能量密度和稳定性具有明显优势。
附图说明
[0021]图1为本专利技术提供的一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂制备方法原理图；
[0022]图2为本专利技术提供的实施例1制备得到的Pt
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FeOOH/CNT催化剂的扫描电子显微镜图片；
[0023]图3为本专利技术提供的实施例3制备得到的Pt
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FeOO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，其特征在于，包括：功能化碳纳米管，所述功能化碳纳米管的表面包裹羟基氧化铁纳米层。2.根据权利要求1所述的共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，其特征在于，所述羟基氧化铁纳米层的表明负载有多个单原子铂。3.根据权利要求2所述的共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，其特征在于，所述单原子铂通过铂
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碳键和铂
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氮键强化进行锚定。4.根据权利要求2所述的共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，其特征在于，所述铂的负载质量分数在0.5wt％至15wt％范围。5.根据权利要求1所述的共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂，其特征在于，所述催化剂的直径在8纳米至200纳米范围，长度在5纳米至100微米范围。6.一种共轴结构单原子负载型铂碳复合催化剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将功能化碳纳米管分散在水溶液中，同时加入铁盐和尿素，在反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦露华，陈佳星，吴巧，沈翔，王欢文，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：