【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料制备，特别是涉及一种碳微球负载铂的氧还原电催化剂及制备方法和应用。
技术介绍
1、由于元素掺杂可以引起材料内部电子结构的改变，从而可以作为调控材料性能有效策略。此外，空心结构纳米介孔材料具有可利用的内部空腔和外部介孔结构特征，元素掺杂的空心纳米介孔材料在诸多领域具有广大的应用研发前景，包括电子工业、环境保护、化妆品工业以及医药科学等领域，在应用过程中材料本身的诸多结构特征对性能的发挥起到非常关键的作用，例如材料颗粒的单分散性、尺寸、掺杂原子、表面状态、石墨化程度等结构特征，进而对空心纳米材料结构设计及其制备控制提出了更高的要求，特别是碳基纳米空心介孔材料是应用领域的研究重点。
2、因此开发出能够直径大范围内可调单分散空心结构掺杂碳微球的简易制备方法具有十分重要的意义，氧还原反应(orr)是一个动力学缓慢过程，是决定氢气燃料电池效率的重要因素。铂或铂基材料对orr具有最好的电催化活性，但由于铂的成本太高、资源有限，往往高负载量的铂元素才能获取高性能，这就严重制约氢气燃料电池的实际应用。
3、因此，制备低铂负载量高活性的orr电催化剂是实现氢气燃料电池大规模实用的有效方法。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供了一种碳微球负载铂的氧还原电催化剂及制备方法和应用，具有操作简单，原料成本低而且易得，可重复性好，可工业化制备的单分散氮、硼共掺杂空心结构碳球负载低铂氧还原电催化剂及制备方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术提
3、本专利技术提供了一种碳微球负载铂的氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
4、1)将含氮原子的聚合单体与水、有机醇、表面活性剂、催化剂、硼酸混合后进行搅拌反应，得到凝胶混合溶液；
5、2)将所述步骤1)得到的凝胶混合溶液离心、干燥，得到聚合物微球；
6、3)将所述步骤2)得到的聚合物微球在保护气氛下煅烧，得到碳微球；
7、所述碳微球具有介孔结构，碳微球直径为100～800nm，内部的空心腔体的直径寸为50～500nm，壳层厚度为20～200nm，介孔尺寸为1～30nm，碳微球的比表面积为200～1000m2/g；
8、4)以含铂物质为前驱体，将所述步骤3)得到的碳微球采用浸渍法制备氧还原电催化剂；
9、所述氧还原电催化剂上负载质量百分含量为5～10％的铂。
10、优选的，所述步骤1)含氮原子的聚合单体包括苯胺、吡咯和盐酸多巴胺中的一种或多种。
11、优选的，所述步骤1)含氮原子的聚合单体的质量与水的体积、有机醇的体积、表面活性剂的质量、催化剂的体积、硼酸的质量比为0.5～1g:100～200ml:20～30ml:1.5～2.5g:2～5ml:0.1～0.15g。
12、优选的，所述有机醇包括乙醇；
13、所述表面活性剂包括f127、曲拉通-100和油酸中的一种或多种；
14、所述催化剂包括氨水或过硫酸铵溶液，所述过硫酸铵溶液的浓度为0.16～0.18g/ml。
15、优选的，所述步骤1)搅拌反应的条件包括：温度为25～30℃，时间为6～12h，转速为200rpm。
16、优选的，所述步骤2)离心的条件包括：转速为8000～10000rpm，时间为8～10min；
17、所述干燥的条件包括：温度为60℃，时间为12h。
18、优选的，所述步骤3)煅烧的条件包括：温度为900℃，时间为4h。
19、优选的，所述步骤4)含铂物质包括氯铂酸、氯铂酸钾和乙酰丙酮铂中的一种或多种。
20、本专利技术还提供了一种上述技术方案所述制备方法制备得到的氧还原电催化剂。
21、本专利技术还提供了上述技术方案所述的氧还原电催化剂在制备氢气燃料电池中的应用。
22、本专利技术提供的制备方法，采用有机表面活性剂作为自组装模板剂，其在醇和水混合溶剂中，通过加入含有杂原子氮高分子聚合单体、硼源前驱体和促进其聚合的催化剂，在催化剂的作用下诱导并可控的使单体聚合交联生长，通过聚合物单体与表面活性剂分子之间的相互作用，使表面活性剂也能够有效参与到聚合单体聚合生长过程和组装的溶胶-凝胶的自组装；将上述形成的单分散空心结构高分子聚合微球材料进一步保护气氛下煅烧后得单分散氮、硼共掺杂空心结构的碳微球材料。
23、本专利技术中，将含有杂原子的有机聚合单体分散在乙醇和水混合溶剂中，加入一定量的表面活性剂和硼源前驱体，通过表面活性剂分子在水和乙醇混合溶液中组装形成胶束溶液，从而形成均匀胶体溶液，然后含有杂原子的有机聚合单体在聚合催化剂的作用下发生聚合生长过程。而后通过静电或者氢键等相互作用使通过催化剂聚合生长的聚合单体与表面活性剂形成的胶束发生相互作用，硼源前驱体也可以参与这个过程，诱导有机聚合单体在胶体颗粒表面组装交联，并作为结构导向剂有效诱导胶体高分子聚合物微球的生成，经过经水和有机醇分别反复清洗，经过适当干燥及其煅烧处理后，得到具有尺寸大范围内可调单分散的空心杂原子掺杂的介孔有机高分子聚合物，通过后续的热处理可以有效脱除表面活性剂而得到空心结构。
24、本专利技术所具有的优点：
25、与现有技术相比，本专利技术通过在水和醇的混合溶剂中引入表面活性剂分子和含有杂原子的有机聚合单体，同时引入可以有效调节有机聚合单体的酸或碱催化剂和硼源前驱体，当将有机聚合物单体前驱体加入体系以后，表面活性剂分子与有机聚合单体前驱体之间的相互作用可以有效调节有机聚合单体前驱体在水和有机醇混合溶剂中的水解交联速度和颗粒之间的聚合程度，并作为结构导向剂有效诱导有机高分子胶体微球的生成，并且可以有效防止有机高分子胶体微球之间团聚长大，后续水和有机醇清洗过程，再经过干燥及其煅烧处理后，得到单分散空心结构杂原子掺杂介孔有机高分子聚合物或碳微球材料，进而通过浸渍法负载铂，得到单分散氮、磷共掺杂空心结构碳负载低铂氧还原电催化剂，催化剂中颗粒尺寸可调、单分散，具有丰富的介孔结构和高比表面积，有利于物质传输和反应。
26、与传统的合成方法相比，该专利技术方法可控性强，过程简单、重复性好，操作方便、成本低廉，不需要使用腐蚀性物质脱除模板剂。所得催化剂具有比较宽而且可调的直径尺寸(100-800nm)，球状形貌，单分散性好，颗粒度均匀，具有较高的比表面积和孔隙率，可用作性能优异的orr电催化剂。
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1.一种碳微球负载铂的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)含氮原子的聚合单体包括苯胺、吡咯和盐酸多巴胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)含氮原子的聚合单体的质量与水的体积、有机醇的体积、表面活性剂的质量、催化剂的体积、硼酸的质量比为0.5～1g:100～200ml:20～30ml:1.5～2.5g:2～5ml:0.1～0.15g。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述有机醇包括乙醇；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)搅拌反应的条件包括：温度为25～30℃，时间为6～12h，转速为200rpm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)离心的条件包括：转速为8000～10000rpm，时间为8～10min；
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)煅烧的条件包括：温度为900℃，时间为4h。
8.根据权利
9.一种权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的氧还原电催化剂。
10.权利要求9所述的氧还原电催化剂在制备氢气燃料电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种碳微球负载铂的氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)含氮原子的聚合单体包括苯胺、吡咯和盐酸多巴胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)含氮原子的聚合单体的质量与水的体积、有机醇的体积、表面活性剂的质量、催化剂的体积、硼酸的质量比为0.5～1g:100～200ml:20～30ml:1.5～2.5g:2～5ml:0.1～0.15g。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述有机醇包括乙醇；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱洪伟，李欣宜，陈伟红，梁洪，
申请(专利权)人：元颉新材料科技浙江有限公司，
类型：发明
国别省市：
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