一种单原子分散的PtCo-N-C催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种单原子分散的PtCo

【技术实现步骤摘要】
一种单原子分散的PtCo
‑
N
‑
C催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，涉及一种单原子分散的催化剂，尤其涉及一种单原子分散的PtCo
‑
N
‑
C催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着有限化石燃料消费量的急剧增加，严重的空气污染和能源短缺问题已引起全球范围内的普遍关注，可持续清洁能源转换技术的发展已刻不容缓。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种高效的氢能转化技术，在减少碳排放和缓解能源危机等方面具有巨大的应用潜力。目前，由于PEMFC阴极氧还原反应在动力学上比较缓慢，需要广泛使用昂贵且稀有的铂基催化剂，故而阻碍了其进一步的大规模商业化应用。
[0003]针对上述问题，单原子分散的金属
‑
氮
‑
碳(M
‑
N
‑
C)催化剂是Pt纳米颗粒催化剂的良好替代品，具有成本低、活性高及其他独特优势，例如：均一的活性位点、高原子利用率和高本征活性。然而，目前在单原子分散催化剂的制备过程中往往存在合成工艺复杂的问题，且合成得到的金属单原子位点在后处理和反应过程中容易团聚成纳米颗粒，进而影响其结构稳定性。
[0004]CN 111653792A公开了一种同步制备PtCo/Co
‑
N
‑
C催化剂的方法，先将钴盐、锌盐和超纯水均匀化处理，再加入2
‑
甲基咪唑水溶液，搅拌均匀，再加入强还原剂水溶液混合反应，最后加入铂盐水溶液混合反应，将产物离心、清洗、干燥，在惰性气体环境中高温退火即得到PtCo/Co
‑
N
‑
C催化剂。然而所述专利技术得到的催化剂是具有中空结构的Co
‑
N
‑
C纳米棒上负载PtCo纳米颗粒结构的材料，并非单原子分散级别，催化活性及稳定性仍有待进一步提升。
[0005]由此可见，如何提供一种单原子分散的金属
‑
氮
‑
碳催化剂及其制备方法，简化合成工艺的同时提升催化活性及稳定性，降低纳米颗粒中体相原子的浪费，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种单原子分散的PtCo
‑
N
‑
C催化剂及其制备方法与应用，所述制备方法简化了合成工艺的同时提升了催化活性及稳定性，降低了纳米颗粒中体相原子的浪费，有利于大规模推广应用。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种单原子分散的PtCo
‑
N
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C催化剂，所述PtCo
‑
N
‑
C催化剂中的Pt和Co分别呈单原子分散级别。
[0009]本专利技术提供的PtCo
‑
N
‑
C催化剂中的Pt和Co分别呈单原子分散级别，实现了100％的Pt、Co原子利用率，有效降低了纳米颗粒中体相原子的浪费，其半波电位及起始电位均明显高于商用Pt/C催化剂，且具有更高的比活性和质量活性，催化性能优异。
[0010]优选地，所述PtCo
‑
N
‑
C催化剂中Pt的负载量为1.0
‑
10.0wt.％，例如可以是
1.0wt.％、1.5wt.％、2.0wt.％、2.5wt.％、3.0wt.％、3.5wt.％、4.0wt.％、4.5wt.％、5.0wt.％、5.5wt.％、6.0wt.％、6.5wt.％、7.0wt.％、7.5wt.％、8.0wt.％、8.5wt.％、9.0wt.％、9.5wt.％或10.0wt.％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0011]优选地，所述PtCo
‑
N
‑
C催化剂中Co的负载量为1.0
‑
10.0wt.％，例如可以是1.0wt.％、1.5wt.％、2.0wt.％、2.5wt.％、3.0wt.％、3.5wt.％、4.0wt.％、4.5wt.％、5.0wt.％、5.5wt.％、6.0wt.％、6.5wt.％、7.0wt.％、7.5wt.％、8.0wt.％、8.5wt.％、9.0wt.％、9.5wt.％或10.0wt.％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述PtCo
‑
N
‑
C催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0013](1)混合锌盐、钴盐和溶剂A，得到第一溶液；
[0014](2)混合有机配体和溶剂B，得到第二溶液；
[0015](3)混合步骤(1)所得第一溶液和步骤(2)所得第二溶液进行静置反应，固液分离后得到金属有机物；
[0016](4)将步骤(3)所得金属有机物经过焙烧处理，得到单原子分散的Co
‑
N
‑
C；
[0017](5)将铂前驱体溶液冷冻至固态，经紫外光照的还原作用得到单原子分散的Pt，并利用静电吸附作用将Pt负载于步骤(4)所得Co
‑
N
‑
C上，即得单原子分散的PtCo
‑
N
‑
C催化剂。
[0018]其中，步骤(1)和(2)不分先后顺序。
[0019]本专利技术提供的方法以金属有机物热解所得单原子分散的Co
‑
N
‑
C材料为前驱体，利用紫外光还原法制备得到单原子PtCo
‑
N
‑
C催化剂，工艺流程简单，制备成本低，可操作性高，具有大规模工业化生产应用的潜力。
[0020]优选地，步骤(1)所述锌盐包括硝酸锌，所述钴盐包括硝酸钴。
[0021]优选地，步骤(1)所述第一溶液中Zn
2+
的浓度为0.4
‑
5mol/L，例如可以是0.4mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、2.5mol/L、3mol/L、3.5mol/L、4mol/L、4.5mol/L或5mol/L，进一步优选为0.4
‑
2mol/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0022]优选地，步骤(1)所述第一溶液中n(Zn
2+
):n(Co
2+
)≥15:1，例如可以是15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0023]在金属有机骨架结构的合成过程中，Zn
2+
和Co
2+本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子分散的PtCo
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N
‑
C催化剂，其特征在于，所述PtCo
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N
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C催化剂中的Pt和Co分别呈单原子分散级别。2.根据权利要求1所述的PtCo
‑
N
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C催化剂，其特征在于，所述PtCo
‑
N
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C催化剂中Pt的负载量为1.0
‑
10.0wt.％；优选地，所述PtCo
‑
N
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C催化剂中Co的负载量为1.0
‑
10.0wt.％。3.一种如权利要求1或2所述PtCo
‑
N
‑
C催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)混合锌盐、钴盐和溶剂A，得到第一溶液；(2)混合有机配体和溶剂B，得到第二溶液；(3)混合步骤(1)所得第一溶液和步骤(2)所得第二溶液进行静置反应，固液分离后得到金属有机物；(4)将步骤(3)所得金属有机物经过焙烧处理，得到单原子分散的Co
‑
N
‑
C；(5)将铂前驱体溶液冷冻至固态，经紫外光照的还原作用得到单原子分散的Pt，并利用静电吸附作用将Pt负载于步骤(4)所得Co
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N
‑
C上，即得单原子分散的PtCo
‑
N
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C催化剂；其中，步骤(1)和(2)不分先后顺序。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述锌盐包括硝酸锌，所述钴盐包括硝酸钴；优选地，步骤(1)所述第一溶液中Zn
2+
的浓度为0.4
‑
5mol/L，进一步优选为0.4
‑
2mol/L；优选地，步骤(1)所述第一溶液中n(Zn
2+
):n(Co
2+
)≥15:1；优选地，步骤(2)所述有机配体包括2
‑
甲基咪唑；优选地，步骤(2)所述第二溶液中有机配体的浓度为0.5
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10mol/L；优选地，步骤(1)所述溶剂A和步骤(2)所述溶剂B分别独立地包括甲醇、去离子水或二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述静置反应的温度为20
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40℃；优选地，步骤(3)所述静置反应的时间为20
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30h；优选地，步骤(3)所得金属有机物依次经过洗涤和干燥；优选地，所述洗涤采用的洗涤液包括甲醇、去离子水或二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述干燥包括真空干燥，且所述真空干燥的温度为20
‑
40℃。6.根据权利要求3
‑
5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述焙烧处理在石英管中进行，且向所述石英管中通入保护性气体；优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雅宁，张坤，华文超，许开华，张子扬，杜柯，
申请(专利权)人：格林美股份有限公司，
类型：发明
国别省市：