碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于燃料电池相关技术领域，其公开了一种碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用，所述催化剂包括多孔碳纤维及铂钴金属间化合物，所述铂钴金属间化合物负载在所述多孔碳纤维上；所述多孔碳纤维是以聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮构成的结构作为内部支撑结构的复合碳纤维。该催化剂具有优化的一维载体结构，高比表面积，使其促进质子交换膜中的物质传输；过渡金属钴的引入改变了铂的d带中心，使其具有优异的氧还原催化活性；金属间化合物较低的形成能使其具有优异的稳定性等特点。等特点。等特点。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于燃料电池相关
，更具体地，涉及一种碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种高效地将氢能等化学能转换为电能的装置，具有转换效率高，低温启动，工作电流大，比功率高，清洁环保等优点，可以减少碳排放，实现能源结构转变，最终实现碳中和目标做出巨大贡献。
[0003]然而，发生在PEMFC阴极的氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)，由于其缓慢的反应动力学会导致较高的极化过电位，极大地降低了电池的效率。铂作为具有高氧还原活性的元素被制成Pt/C商业化催化剂。但是，单铂催化剂受限于其高昂的成本与长期的工作条件下Pt的流失导致的较差的活性和稳定性等问题。此外，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在高电流区容易消耗更多的氧气，产生更多的水。对于传统的商业Pt/C催化剂所使用的碳载体材料在燃料电池由于低比表面积与紧密堆积容易造成催化剂活性位点水淹现象、高氧气传输阻力等问题，造成电池的反应速率受阻。这些都是限制质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展的严重阻碍。
[0004]为了改善Pt/C催化剂自身的催化活性和稳定性问题，目前已经研究的氧还原(ORR)催化剂大多是通过引入过渡金属元素等(Fe、Co、Ni等)形成的铂基二元或多元合金，通过调控组分和结构以达到提升催化剂活性的同时降低成本的目的。但是这些催化剂中的过渡金属原子在酸性环境中会出现浸出溶解的情况而造成催化剂的失活。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用，所述催化剂包括多孔碳纤维及铂钴金属间化合物，所述铂钴金属间化合物负载在所述多孔碳纤维上；所述多孔碳纤维是以聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮构成的碳纤维主干作为内部支撑结构的复合碳纤维。该催化剂具有优化的一维载体结构，高比表面积，使其促进质子交换膜中的物质传输；过渡金属钴的引入改变了铂的d带中心，使其具有优异的氧还原催化活性；金属间化合物较低的形成能使其具有优异的稳定性等特点。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂，所述催化剂包括多孔碳纤维及铂钴金属间化合物，所述铂钴金属间化合物负载在所述多孔碳纤维上；所述多孔碳纤维是以聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮构成的结构作为内部支撑结构的复合碳纤维。
[0007]进一步地，所述多孔碳纤维为纳米纤维，其直径为200～300nm；在所述催化剂中，所述多孔碳纤维的质量百分比为80％～90％。
[0008]进一步地，铂钴金属间化合物的颗粒大小为6～8nm；铂钴金属间化合物包括以下质量百分比的组分：铂为40～60％、钴为60～40％。
[0009]本专利技术提供了一种如上所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0010](1)将Co掺杂的ZIF
‑
8、聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合以得到电纺液，进而进行电纺以得到多孔碳纤维；
[0011](2)将铂颗粒负载到所述多孔碳纤维上后，在还原气氛下进行退火以使得多孔碳纤维上负载铂钴金属间化合物，从而得到所述催化剂。
[0012]进一步地，将钴盐、锌盐和2
‑
甲基咪唑加入至甲醇与N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，将得到的反应液在搅拌的状态下水浴加热至预定温度后保温预定时间，进而进行离心及冷冻干燥以得到Co掺杂的ZIF
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8。
[0013]进一步地，预定温度为50～80℃，所采用的升温速率为5～10℃/min。
[0014]进一步地，CO掺杂的ZIF
‑
8、聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮需要按质量比为4:(3～5):(1～2)加入至甲醇和N，N
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二甲基甲酰胺的混合溶液中，并在密闭容器中搅拌加热至50～70℃，保温8～12h得到电纺液。
[0015]进一步地，步骤(2)中，将得到的多孔碳纤维与铂源分散于乙二醇与水的混合液中，保温且保持冷凝回流，然后离心冷冻干燥后得负载铂颗粒的多孔碳纤维，接着将多孔碳纤维在还原气氛下退火，即可得到负载有铂钴金属间化合物的多孔碳纤维。
[0016]进一步地，热处理的温度范围为700～900℃，保温时长为1～2h；退火温度为800～1000℃。
[0017]本专利技术还提供了一种如上所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂在质子交换膜燃料电池阴极中的应用。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
[0019]1.所述催化剂包括多孔碳纤维及铂钴金属间化合物，所述铂钴金属间化合物负载在所述多孔碳纤维上；所述多孔碳纤维是以聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮构成的结构作为内部支撑结构的复合碳纤维，该催化剂具有优化的一维载体结构，高比表面积，使其促进质子交换膜中的物质传输；过渡金属钴的引入改变了铂的d带中心，使其具有优异的氧还原催化活性；金属间化合物较低的形成能使其具有优异的稳定性等特点。
[0020]2.本专利技术从改善质子交换膜燃料电池(PEMFC)反应时阴极高电流区由于传质效应和水淹现象导致的电池反应速率受阻的角度出发，选取静电纺丝技术制备一维的由Co掺杂的ZIF
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8、聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮组成的Co掺杂的ZIF
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8覆盖表面、聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮形成纤维主干的复合纤维；在第一次高温退火后，聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮从一维高分子聚合物纤维碳化成了一维碳纤维，Co掺杂的ZIF
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8中的锌元素在退火过程中逐渐聚集形成锌颗粒并在温度到达其沸点后升华，使得纤维表面留下了孔洞，增加了碳纤维的比表面积，提供了更多的活性物位点。
[0021]3.Co掺杂的ZIF
‑
8中的钴元素则形成了钴颗粒，为还原铂颗粒后的热处理中合金化提供钴源，这种原位提供金属源的方式有利地增强了载体材料与负载的金属颗粒之间的金属载体相互作用(SMSI)，使得载体对于金属颗粒的黏附能更大，阻碍了金属颗粒中原子
的流失，增强了催化剂的稳定性。
[0022]4.形成的合金颗粒为结构有序的金属间化合物，其本身具有比无序合金更低的形成能，从热力学的能量角度来看，本专利技术中的铂钴金属间化合物具有更高的稳定性，这对于延长实际应用中贵金属催化剂的使用寿命，降低成本等方面具有非常重要的意义。
[0023]5.本专利技术制备的一种多孔碳纤维负载铂钴金属间化合物颗粒的催化剂在在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极反应的高电流区具有优异的反应速率，显示出比商业Pt/C催化剂更高的输出功率，这主本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂，其特征在于：所述催化剂包括多孔碳纤维及铂钴金属间化合物，所述铂钴金属间化合物负载在所述多孔碳纤维上；所述多孔碳纤维是以聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮构成的结构作为内部支撑结构的复合碳纤维。2.如权利要求1所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂，其特征在于：所述多孔碳纤维为纳米纤维，其直径为200～300nm；在所述催化剂中，所述多孔碳纤维的质量百分比为80％～90％。3.如权利要求2所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂，其特征在于：铂钴金属间化合物的颗粒大小为6～8nm；铂钴金属间化合物包括以下质量百分比的组分：铂为40～60％、钴为60～40％。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将Co掺杂的ZIF
‑
8、聚丙烯腈和聚乙烯吡咯烷酮混合以得到电纺液，进而进行电纺以得到多孔碳纤维；(2)将铂颗粒负载到所述多孔碳纤维上后，在还原气氛下进行退火以使得多孔碳纤维上负载铂钴金属间化合物，从而得到所述催化剂。5.如权利要求4所述的碳纤维载铂钴金属间化合物的催化剂的制备方法，其特征在于：将钴盐、锌盐和2
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甲基咪唑加入至甲醇与N,N
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二甲基甲酰胺的混合液中，将得到的反...

【专利技术属性】
技术研发人员：李箐，赖骄阳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：