一种石墨化碳负载铂纳米颗粒、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨化碳负载铂纳米颗粒、其制备方法及应用。所述石墨化碳负载铂纳米颗粒包括石墨化碳载体；负载在所述石墨化碳载体上的铂纳米颗粒；以及独立地负载在石墨化碳载体或铂纳米颗粒上的碳和硫。本发明专利技术将碳和硫引入石墨化碳载体和/或铂纳米颗粒上，其中，碳原子会在铂纳米颗粒表面形成碳包，保证铂纳米颗粒分散均匀且尺寸较小，硫原子可以与铂配位，使得铂纳米颗粒主要通过铂硫键与石墨化碳载体复合，弥补了石墨化碳载体对铂纳米颗粒负载率低的问题，使得所述石墨化碳负载铂纳米颗粒具有较高的电化学活性面积。作为质子交换膜燃料电池的阴极催化剂，其催化性能优异，且启停循环耐久性显著优于商业化的Pt/C催化剂。停循环耐久性显著优于商业化的Pt/C催化剂。停循环耐久性显著优于商业化的Pt/C催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨化碳负载铂纳米颗粒、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池催化剂领域，具体涉及一种石墨化碳负载铂纳米颗粒、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种将氢气和氧气中的化学能直接转化为电能的电化学能量转换装置，具有能量转换效率高、对环境友好以及零排放的优点，被认为是未来首选的洁净且高效的发电技术之一。近年来，燃料电池已取得令人瞩目的进展，但仍面临不少挑战，特别是阴极铂碳催化剂的耐久性问题，被认为是阻碍燃料电池大规模商业化应用的关键所在。其中，碳载体在启停工况条件下的腐蚀行为往往是导致铂碳催化剂耐久性问题的重要因素，因为碳腐蚀会导致催化剂层的严重塌陷，进而使得铂纳米颗粒发生大规模熟化和溶解流失现象，最终导致催化剂活性的急剧下降。
[0003]为了解决这一挑战，人们研究了多种碳材料，如碳纳米管、碳纤维、多孔碳或炭黑等作为催化剂载体，经研究发现，碳材料的一些结构性质如石墨化程度、形貌和表面积，对催化剂的活性和耐久性产生显著影响。其中，通过高温处理产生的高度石墨化碳，被认为在降低电阻和增强碳耐腐蚀性方面有突出效果。然而，大多数石墨化方法损害了碳的孔隙率和比表面积，同时也削弱了碳载体对铂纳米颗粒的作用力，这使得铂纳米颗粒难以均匀地分散在碳载体上，最终导致催化剂的铂颗粒具有较低的电化学活性面积。电化学活性面积的降低，一方面会导致原子利用率的显著降低，另一方面也会导致催化剂层的局域氧气传输阻力的大幅上升，进而带来额外的传质问题。因此，亟需找到一种合适的载体负载铂纳米颗粒，在保证能够有效提升载体耐腐蚀特性的同时还需要具有良好的催化活性。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种石墨化碳负载铂纳米颗粒、其制备方法及应用。所述石墨化碳负载铂纳米颗粒可以作为质子交换膜燃料电池的阴极催化剂，其催化性能和启停循环耐久性优于商业化的Pt/C催化剂。
[0005]为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种石墨化碳负载铂纳米颗粒，包括石墨化碳载体；负载在所述石墨化碳载体上的铂纳米颗粒；以及独立地负载在石墨化碳载体或铂纳米颗粒上的碳和硫。
[0007]优选地，所述碳和硫同时负载在石墨化碳载体和铂纳米颗粒上。
[0008]优选地，所述铂纳米颗粒在石墨化碳载体上的负载量为20～40wt％。
[0009]优选地，所述铂纳米颗粒的平均粒径为3～5nm。
[0010]第二方面，本专利技术提供一种石墨化碳负载铂纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将含硫/碳物质分散液、铂盐分散液和石墨化碳混合，得到悬浊液；
[0012](2)将悬浊液去除溶剂后在还原性气氛中煅烧，得到所述石墨化碳负载铂纳米颗
粒。
[0013]优选地，所述含硫/碳物质分散液由含硫/碳物质和第一溶剂混合后得到。
[0014]优选地，所述铂盐分散液由含铂盐和第二溶剂混合后得到。
[0015]优选地，所述含硫/碳物质选自丙硫醇。
[0016]优选地，所述第一溶剂选自环己烷和/或正己烷。
[0017]优选地，所述铂盐H2PtCl6·
6H2O、氯亚铂酸钾或乙酰丙酮铂中的任意一种或多种。
[0018]优选地，所述第二溶剂选自乙醇、甲醇或异丙醇中的任意一种或多种。
[0019]优选地，所述石墨化碳由碳材料在2000～3000℃处理1.5～3h后得到。
[0020]优选地，所述碳材料选自炭黑。
[0021]优选地，所述含硫/碳物质、铂盐和石墨化碳的比例为(4～8)mmol:(0.8～1.6)mmol:(400～800)mg。
[0022]优选地，步骤(1)具体为：将含硫/碳物质分散液、铂盐分散液混合10～30min后，再将得到的混合溶液与石墨化碳混合20～30h，得到悬浊液。
[0023]优选地，所述煅烧具体为：以2～30℃/min的速率升温至300～600℃，保持2～10h。
[0024]第三方面，本专利技术提供一种质子交换膜燃料电池的阴极催化剂，包括上述技术方案中涉及的石墨化碳负载铂纳米颗粒。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026]本专利技术提供了一种石墨化碳负载铂纳米颗粒，以石墨化碳为载体负载铂纳米颗粒，在制备过程中通过加入含硫/碳的物质源，将碳和硫引入石墨化碳载体和/或铂纳米颗粒上，其中，碳原子会在铂纳米颗粒表面形成碳包，从而保证铂纳米颗粒分散均匀且尺寸较小(3～5nm)，防止Pt纳米颗粒烧结团聚，硫原子可以与铂配位，使得铂纳米颗粒主要通过铂硫键与石墨化碳载体复合，弥补了石墨化碳载体对铂纳米颗粒负载率低的问题，使得所述石墨化碳负载铂纳米颗粒具有较高的电化学活性面积，保证其具有耐腐蚀特性的同时还具有良好的催化活性。所述石墨化碳负载铂纳米颗粒可以作为质子交换膜燃料电池的阴极催化剂，经研究，其催化性能优异，且启停循环耐久性显著优于商业化的Pt/C催化剂。
附图说明
[0027]图1为实施例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒的X射线衍射图谱；
[0028]图2为实施例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒的SEM图像；
[0029]图3为实施例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒作为PEMFCs阴极催化剂的初始和经过5000圈高电位载体稳定性的循环伏安曲线对比图；
[0030]图4为实施例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒作为PEMFCs阴极催化剂的初始和经过不同圈循环后高电位载体稳定性的氢
‑
空极化曲线对比图；
[0031]图5为对比例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒的X射线衍射图谱；
[0032]图6为实施例1制备的石墨化碳负载铂纳米颗粒的SEM图像；
[0033]图7为图7为实施例1和对比例1得到的石墨化碳负载铂纳米颗粒作为阴极催化剂的初始性能的氢
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空极化曲线对比图；
[0034]图8为商业Pt/C作为PEMFCs阴极催化剂的初始和经过1000圈高电位载体稳定性的氢
‑
空极化曲线图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]针对现有技术中质子交换膜燃料电池的阴极铂碳催化剂无法同时满足高催化活性和耐久性的问题，本专利技术提供了一种石墨化碳负载铂纳米颗粒，包括石墨化碳载体；负载在所述石墨化碳载体上的铂纳米颗粒；以及独立地负载在石墨化碳载体或铂纳米颗粒上的碳和硫。在本专利技术的一些实施方案中，所述碳和硫优选同时负载在石墨化碳载体和铂纳米颗粒上。在本专利技术中，所述石墨化碳载体由碳材料经高温处理后得到，所述碳材料选自炭黑，所述炭黑为商业炭黑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨化碳负载铂纳米颗粒，其特征在于，包括石墨化碳载体；负载在所述石墨化碳载体上的铂纳米颗粒；以及独立地负载在石墨化碳载体或铂纳米颗粒上的碳和硫。2.根据权利要求1所述的石墨化碳负载铂纳米颗粒，其特征在于，所述碳和硫同时负载在石墨化碳载体和铂纳米颗粒上。3.根据权利要求1所述的石墨化碳负载铂纳米颗粒，其特征在于，所述铂纳米颗粒在石墨化碳载体上的负载量为20～40wt％。4.根据权利要求1所述的石墨化碳负载铂纳米颗粒，其特征在于，所述铂纳米颗粒的平均粒径为3～5nm。5.一种石墨化碳负载铂纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将含硫/碳物质分散液、铂盐分散液和石墨化碳混合，得到悬浊液；(2)将悬浊液去除溶剂后在还原性气氛中煅烧，得到所述石墨化碳负载铂纳米颗粒。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含硫/碳物质分散液由含硫/碳物质和第一溶剂混合后得到；所述铂盐分散液由含铂盐和第二溶剂混合后得到。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含硫/碳物质...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海伟，杨倩倩，童磊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：