一种多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：(1)将对氨基苯磺酸钠、二苯碳酰二肼、三聚氰胺与碳酸钾混合并粉碎处理，得到混合物粉末；(2)将混合物粉末与去离子水混合得到组分A；(3)将氯铂酸与乙二醇混合得到组分B；(4)将组分A与组分B混合并固液分离，得到固体物料，进行干燥和粉碎处理，得到前驱体粉末基体；(5)将前驱体粉末基体与糠醛混合，在N2存在下高温处理，得到多级孔碳/铂复合催化剂。本发明专利技术提供的方法采用无污染的原料和较简单的步骤制备多级孔碳/铂复合催化剂，相比商用Pt/C催化剂具有更高的催化性能和效率。性能和效率。性能和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池催化剂
，具体涉及一种多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种以氧气和氢气为反应气体，通过内部的电化学反应产生电能的发电装置。燃料电池的产物只有水，真正做到了零污染，是未来能源的一个重要发展趋势。
[0003]工作时，燃料电池反应分为两部分进行，即阳极的氢气氧化反应(HOR)和阴极的氧气还原反应(ORR)，与HOR相比，ORR反应过程复杂，动力学缓慢，成为制约燃料电池反应效率的主要因素。
[0004]目前，燃料电池使用的商业催化剂主要是Pt/C催化剂，其中催化剂的用量主要在阴极。Pt作为贵金属的一种，价格昂贵，储量有限，这阻碍了燃料电池的大规模商业化应用。因此，增加催化剂的催化效率、降低Pt载量对燃料电池的进一步推广具有十分重要的意义。
[0005]目前，提高催化剂的催化活性、降低Pt用量主要有三种途径：(1)将其他非贵金属颗粒与Pt颗粒掺杂，形成铂合金，从而降低Pt用量；(2)改变催化剂载体材料特性，从而提高Pt颗粒在载体上的分散性以及稳定性，进而提高催化活性；(3)使用非贵金属或非金属催化剂代替Pt催化剂。
[0006]催化剂的载体材料对催化性能有重要影响，近年来，越来越多的研究者将研究重点集中于优化和改变催化剂载体材料的孔道结构和表面性质上，这是因为材料的孔隙度、孔开放程度以及表面官能团性质直接影响着材料的比表面积、传质效率以及活性位点的分布行为，进而影响催化剂的催化效率。
[0007]多级孔碳材料是一类具有微孔/介孔/大孔嵌套结构的多孔材料，此类材料既能避免单一微孔导致的传质受阻现象发生，又具备较大的比表面积，从而在保证高比表面积的同时有效缩短载流子传输路径并提高传质效率，因此在催化领域具有极大的应用潜力。
[0008]CN108428906A公布了一种低铂燃料电池催化剂的制备方法，该方法先通过溶剂热法制备MOF材料，然后将MOF分散在铂前驱体溶液中，使铂前驱体与MOF复合，接着在惰性气氛下进行高温处理，在这个过程中MOF在高温下热解，形成多孔碳，最后经离心、洗涤、研磨系列步骤后得到燃料电池催化剂。该方法制备的催化剂虽然具有铂载量低、催化效率高的特点，但是其中的多孔碳载体是以MOF为模板自牺牲得到的，过程较为繁琐，且均为微孔结构，孔道较为单一，限制了催化剂性能的进一步提升。
[0009]CN109037704A公布了一种以生物质材料制备多孔碳材料的方法，并将其应用在氧还原反应中。该方法先将桉木或杨木置于纤维素酶溶液中进行预处理，然后进行碳化，得到多孔碳材料。最后，将所得的多孔碳材料与含氮化合物混合并再次碳化，得到氮掺杂多孔碳材料。该中碳材料具有多级孔结构、较高的比表面积，并在氧还原反应中展现了良好的催化活性。但是，该种多级孔碳材料需要在制备过程中从外部引入含氮物质，且要经历两次碳化，过程较为繁琐。此外，通过这种方法制备的碳材料，其内部的孔形貌主要取决于生物质
的内部孔隙结构或化学活化，这使得孔结构和尺寸难以主动控制。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是为了解决现有燃料电池催化剂中存在的使用模板剂制备多孔碳材料、制备过程繁琐、成本较高、孔径单一且结构和尺寸难以调控的问题。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种制备多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂的方法，该方法包括以下步骤：
[0012](1)将对氨基苯磺酸钠、二苯碳酰二肼、三聚氰胺与碳酸钾按用量质量比为1：0.5
‑
1.5：0.2
‑
0.6：5
‑
10的比例进行第一混合，得到第一混合物；将所述第一混合物进行粉碎处理，以获得第一混合物粉末；
[0013](2)将所述第一混合物粉末与去离子水按用量质量比为1：1
‑
2的比例进行第二混合10
‑
30min，得到组分A；
[0014](3)将氯铂酸与乙二醇进行第三混合10
‑
30min，得到组分B，控制用量使得所述组分B中所述氯铂酸的浓度为0.015
‑
0.025mol/L；
[0015](4)将所述组分A与所述组分B按用量体积比为0.1
‑
0.2：1的比例进行第四混合10
‑
60min，得到第四混合物，将所述第四混合物进行固液分离处理，得到第四固体物料；将所述第四固体物料在50
‑
70℃下干燥1
‑
3h，再进行粉碎处理，以获得前驱体粉末基体；
[0016](5)将所述前驱体粉末基体与糠醛按用量比为1g：0.5
‑
1mL的比例进行第五混合，得到第五混合物；在N2存在下，将所述第五混合物以2
‑
6℃/min的速率升温至700
‑
900℃，并保持2
‑
5h，得到多级孔碳/铂复合催化剂。
[0017]本专利技术第二方面提供由第一方面所述的方法制备得到的多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂。
[0018]本专利技术第三方面提供第二方面所述的多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂在燃料电池中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供的制备多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂的方法至少具有如下优势：
[0020]一方面，本专利技术使用的三种掺杂剂氨基苯磺酸钠、二苯碳酰二肼、三聚氰胺都是常见的多氮小分子，当温度升高时，在碳酸钾的作用下，不同尺寸的小分子在碳化过程中会发生分子级或区域级等不同程度的分解，在碳片层上留下不同尺寸的孔隙，这样就能在不使用模板剂的情况下，实现多级孔碳材料孔径尺寸和层级结构的主动调控，使基体碳材料出现微孔/介孔/大孔多级孔形貌，这样既能有效缩短电子传输路径提高传质效率，又能满足更多的电子和反应气体分子附着，提高催化效率；另一方面，杂原子N的引入可以影响Pt催化剂的电子构型，进而提高催化剂的整体性能。
[0021]本专利技术所采用的原材料丰富，制备方法简单，对环境无污染，可操作性强，所制备的多级孔碳/铂复合催化剂与商用Pt/C催化剂相比具有更高的催化效率，在燃料电池行业具有广阔的应用前景。
[0022]本专利技术的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术所述方法的一种具体实施方式的工艺流程图；
[0025]图2为商用60％Pt/C催化剂和本专利技术实施例中所制备催化剂的质量比活性对比图。
具体实施方式
[0026]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备多级孔碳/铂复合燃料电池催化剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将对氨基苯磺酸钠、二苯碳酰二肼、三聚氰胺与碳酸钾按用量质量比为1：0.5
‑
1.5：0.2
‑
0.6：5
‑
10的比例进行第一混合，得到第一混合物；将所述第一混合物进行粉碎处理，以获得第一混合物粉末；(2)将所述第一混合物粉末与去离111子水按用量质量比为1：1
‑
2的比例进行第二混合10
‑
30min，得到组分A；(3)将氯铂酸与乙二醇进行第三混合10
‑
30min，得到组分B，控制用量使得所述组分B中所述氯铂酸的浓度为0.015
‑
0.025mol/L；(4)将所述组分A与所述组分B按用量体积比为0.1
‑
0.2：1的比例进行第四混合10
‑
60min，得到第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小磊，赵景辉，向德成，
申请(专利权)人：氢通上海新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：