本发明专利技术涉及催化剂领域，公开了碳材料及其制备方法、氢氧化反应催化剂及其制备方法和应用。该方法包括：(1)在T1温度下，将碳原料与强酸溶液进行接触混合，并将接触混合后得到的物料I进行分离处理以得到氧化碳前驱物料，所述T1为50‑100℃；(2)将所述氧化碳前驱物料分散于水中后进行抽滤处理，并将得到的碳物料进行干燥处理，得到所述碳材料。本发明专利技术提供的氢氧化反应催化剂能够在碱性介质中高效催化氢气氧化反应。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及催化剂领域，具体涉及碳载体及其制备方法、氢氧化反应催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着全球人口不断增长，能源需求不断增加，气候问题迫在眉睫，人们对未来能源安全的担忧与日俱增。因此，我们迫切需要实现能源来源的多样化，减少对化石燃料的依赖。
2、低温质子交换膜燃料电池作为车载燃料电池的主流，是实现氢能经济的重要装置。虽然目前质子交换膜燃料电池的发展已近乎成熟，但是质子交换膜燃料电池强烈依赖铂族贵金属，其阴极缓慢的氧还原动力学需要大量使用pt基催化剂，这导致了质子交换膜燃料电池成本昂贵并限制了其商业化发展。
3、近年来，随着碱性阴离子交换膜、碱性离聚物和碱性电池装配工艺的不断发展，碱性膜燃料电池逐渐展现美好前景，成为质子交换膜燃料电池的潜在替代者。得益于碱性膜燃料电池的温和反应条件，阴极氧还原催化剂可以使用非贵金属来取代pt基催化剂。ag基材料、mnco氧化物、fe-n-c等材料都展现出了良好的活性。
4、然而，阳极发生的氢气氧化反应(hor)表现强烈的ph依赖性，在碱性条件下铂族贵金属催化剂的hor动力学普遍比酸性条件下慢2～3个数量级。因此，为实现高功率输出，碱性膜燃料电池的阳极需要使用大量铂族金属催化剂，其贵金属载量约为类似性能的质子交换膜燃料电池的10倍以上。这就导致阳极催化剂成本大幅增加并阻碍碱性膜燃料电池的发展。
5、因此，开发高效碱性氢氧化催化剂，使之活性靠近酸性条件下的pt，进而大幅削减阳极成本，将对碱性膜燃料电池的发展产生重大意义。
/>技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的碱性氢氧化反应催化剂活性较低的缺陷。
2、为了实现上述目的，本专利技术的第一方面提供一种制备碳材料的方法，包括：
3、(1)在t1温度下，将碳原料与强酸溶液进行接触混合，并将接触混合后得到的物料i进行分离处理以得到氧化碳前驱物料，所述t1为50-100℃，所述碳原料选自炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种；
4、(2)将所述氧化碳前驱物料分散于水中后进行抽滤处理，并将得到的碳物料进行干燥处理，得到所述碳材料。
5、本专利技术的第二方面提供由第一方面中所述的方法制备得到的碳材料。
6、本专利技术的第三方面提供一种氢氧化反应催化剂，该催化剂中含有载体和金属活性组分，所述载体为第二方面中所述的碳材料；所述金属活性组分中含有第二金属元素和第一金属元素；所述第一金属元素选自pt、pd、ir、ru、rh中的至少一种；所述第二金属元素选自cr、v、mn、fe、co、ni、cu、zn中的至少一种；所述第一金属元素以单原子分散状态分布于所述碳材料上。
7、本专利技术的第四方面提供一种制备氢氧化反应催化剂的方法，该方法包括：
8、s1：在溶液环境下，将活性金属源与载体进行混合处理，得到催化剂前驱体；所述载体为本专利技术第二方面中所述的碳材料；
9、s2：将所述催化剂前驱体进行还原处理；
10、所述活性金属源选自能够提供活性金属组分的物质，所述活性金属组分中含有第二金属元素和第一金属元素，所述第一金属元素选自pt、pd、ir、ru、rh中的至少一种金属元素；所述第二金属元素选自cr、v、mn、fe、co、ni、cu、zn中的至少一种金属元素。
11、本专利技术的第五方面提供由第四方面所述的方法制备得到的氢氧化反应催化剂。
12、本专利技术的第六方面提供第三方面和/或第五方面中所述的氢氧化反应催化剂在碱性氢气氧化反应中的应用。
13、碱性膜燃料电池阳极反应动力学较慢，需要使用大量铂族金属催化剂以支持电池高功率输出，而本专利技术提供的碳材料形成的催化剂的活性类似酸性环境下的铂高效催化剂。
14、特别地，本专利技术提供了一种利用cr单原子修饰碳载体以提升贵金属催化剂碱性氢氧化反应活性的策略，该策略对于在pt族金属的碱性氢氧化活性有普遍提升。
15、本专利技术提供的氢氧化反应催化剂中存在协同配合的金属纳米团簇和金属单原子修饰碳载体；单原子修饰碳载体能够改善界面双电层结构，显著提升活性金属特别是pt族金属(pt、rh、pd、ir、ru)碱性氢气氧化活性。
16、本专利技术提供的氢氧化反应催化剂能够在碱性介质中高效催化氢气氧化反应。
17、特别优选情况下，本专利技术还提供了一种rh基团簇/cr单原子碳载体复合催化剂(rhcr ncs/sac)，该催化剂的活性相比于商业pt基催化剂提升100倍以上。应用该催化剂装配的碱性膜燃料电池在仅仅使用10ugrh/cm2的阳极催化剂条件下能提供1.86w cm-2的峰值功率密度。
18、本专利技术的专利技术人通过分析后认为，本专利技术提出的rh基催化剂的活性提升一方面可能来源于cr元素对于rh的电子结构调控，另一方面可能来源于上述cr单原子修饰的载体对rh表面双电层中界面水结构的调控。
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【技术保护点】
1.一种制备碳材料的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳原料为炭黑，所述强酸溶液为硝酸；
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，在进行所述接触混合前，先将所述碳原料和所述强酸溶液进行超声预处理，然后再将预处理后得到的混合溶液进行所述接触混合；
4.由权利要求1-3中任意一项所述的方法制备得到的碳材料。
5.一种氢氧化反应催化剂，其特征在于，该催化剂中含有载体和金属活性组分，所述载体为权利要求4中所述的碳材料；所述金属活性组分中含有第二金属元素和第一金属元素；所述第一金属元素选自Pt、Pd、Ir、Ru、Rh中的至少一种；所述第二金属元素选自Cr、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的至少一种；所述第一金属元素以单原子分散状态分布于所述碳材料上；
6.根据权利要求5所述的氢氧化反应催化剂，其特征在于，所述第二金属元素以金属团簇形式分布于所述载体上在所述载体上；
7.一种制备氢氧化反应催化剂的方法，其特征在于，该方法包括：
>8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述混合处理的条件包括：温度为30-80℃，时间为0.1-5h；9.由权利要求7或8所述的方法制备得到的氢氧化反应催化剂。
10.权利要求5、6和9中任意一项所述的氢氧化反应催化剂在碱性氢气氧化反应中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种制备碳材料的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳原料为炭黑，所述强酸溶液为硝酸；
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，在进行所述接触混合前，先将所述碳原料和所述强酸溶液进行超声预处理，然后再将预处理后得到的混合溶液进行所述接触混合；
4.由权利要求1-3中任意一项所述的方法制备得到的碳材料。
5.一种氢氧化反应催化剂，其特征在于，该催化剂中含有载体和金属活性组分，所述载体为权利要求4中所述的碳材料；所述金属活性组分中含有第二金属元素和第一金属元素；所述第一金属元素选自pt、pd、ir、ru、rh中的至少...
【专利技术属性】
技术研发人员：庄仲滨，方锦杰，王灏，朱威，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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