【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源材料，具体涉及一种载铂蜂窝碳催化剂及该催化剂的制备方法和应用。
技术介绍
1、燃料电池被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代能源动力系统，对解决能源紧缺和环境污染这两大难题具有重要意义。质子交换膜燃料电池（pemfc）是以氢气、甲醇等作为燃料，通过电化学反应直接将化学能转化为电能的装置，其中以氢气作为燃料的pemfc由于其环境友好、转化效率高以及功率密度高等优点，在便携式基站、新能源汽车以及国防军工等领域具有较好的应用前景。
2、即使如此，pemfc目前仍未能商业化大规模应用，瓶颈在于pemfc高昂的价格以及较低的催化活性和稳定性。其原因在于pemfc阴极的氧还原（orr）速率远低于阳极的氢氧化（hor）反应（低两到三个数量级），需要大量贵金属铂（pt）作为催化剂来加快orr的速率、降低过电位来提升pemfc的输出性能。商业化pemfc的主要成本在于电极催化剂的成本，pemfc的阴极和阳极都需要采用商业化铂碳（pt/c）作为催化剂，即3～5 nm的pt纳米负载到碳黑上（负载量一般为20～60 wt.%）。对于阳极hor过程，所需铂载量仅为0.05 mgpt·cm-2，而对于动力学缓慢的orr过程，铂的载量需要提高到0.4 mgpt∙cm-2才可达到电池应用性能。根据目前国际市场上铂的价格计算，催化剂的成本约占电池成本的38%～56%。在催化剂活性方面，目前商业化铂碳（pt/c）催化剂的活性仍然不足，其在0.9 v时的质量活性为0.11～0.2a∙mgpt，低于我国科技部的指标和美国能源部设定的202
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种载铂蜂窝碳催化剂。
2、本专利技术提供的载铂蜂窝碳催化剂，是以多孔结构的蜂窝碳作为载体，将铂纳米颗粒均匀、牢固分布在所述多孔道蜂窝碳载体上，其中pt的负载量不高于20 wt%，所述铂纳米颗粒的粒径为2～5nm。
3、本专利技术提供的载铂蜂窝碳催化剂的制备方法，包括下述步骤：
4、s1 将一定体积比的乙醇、氨水、去离子水混合搅拌均匀，然后向溶液中滴加定量硅酸乙酯，搅拌溶液呈乳液状后，离心、洗涤、干燥，得到二氧化硅纳米微球；
5、s2 将二氧化硅微球与过渡金属钴盐溶于甲醇溶液，得到溶液a；将二甲基咪唑溶解于甲醇溶液中，得到溶液b；
6、将溶液b加入溶液a中，混合搅拌后溶液呈深紫色时，保持温度为60℃～70℃，直至甲醇溶液完全蒸发，研磨得到紫色粉末中间体二氧化硅@zif-67；
7、s3 将紫色粉末中间体二氧化硅@zif-67置于管式炉中，在n2气氛下煅烧，以保持保持紫色粉末中间体二氧化硅@zif-67部分结构，研磨后收集黑色粉末；
8、s4 将黑色粉末分散到氢氟酸溶液中，搅拌一段时间，刻蚀掉其中的二氧化硅模板，经过离心、抽滤洗涤至溶液为中性，干燥得到蜂窝碳载体；
9、s5 将所述蜂窝碳载体置于乙二醇与水混合液中，超声分散均匀，得到悬浮液c，将铂源分散于乙二醇溶液中，超声搅拌得到溶液d；将溶液c和溶液d混合，调节混合液ph9-11，冷凝回流后速冷至30～40℃，再次调节ph2-3后搅拌10-12h，洗涤抽滤至ph为中性，真空干燥，研磨后得到电化学活性面积不低于80.5 m2·gpt-1、半波电位不低于0.9 v的低铂电催化剂产品。
10、上述本专利技术载铂蜂窝碳催化剂及制备方法具有下述技术效果：
11、（1）本专利技术采用蜂窝碳结构载体，其存在的co-nx官能团具有一定的orr催化性能,不仅可以创造新的活性位点助催化,还能够增强载体对铂纳米颗粒的锚定能力。
12、（2）本专利技术蜂窝碳结构载体的制备方法中，先通过简化stober法制备二氧化硅纳米微球，然后在常温下合成包裹二氧化硅微球的zif-67中间体，后续通过热处理结合hf刻蚀的方法，制备出具有三维交联多级孔道结构的蜂窝碳（hnc）材料，然后进一步负载铂源，用低温乙二醇法在hnc上还原pt纳米粒子，得到蜂窝碳载铂催化剂（pt/hnc）催化剂，不仅有利于活性位在载体表面的均匀分布，增加了活性位密度，提高了催化剂的活性，而且含氮的蜂窝碳载体有利于锚定铂纳米颗粒，有效保证了蜂窝碳载铂催化剂长期稳定性。
13、（3）本专利技术蜂窝碳结构载体的制备方法中，通过模板辅助热解法制备蜂窝碳载体,这种特殊的三维交联多级孔道结构具有较高的比表面，有利于铂纳米粒子的分散，极大提升活性位点的暴露程度和反应物、产物的传质效率和导电性。而且，这种特殊的多孔结构还能抑制pt颗粒ostward熟化、团聚、迁移以及碳腐蚀等现象。
14、（4）本专利技术制备方法可使超细铂纳米颗粒均匀分散在蜂窝碳载体上, 提高了催化剂中铂的利用率，降低了铂的消耗量，较商业pt/c表现出优异的催化活性和稳定性能。
15、（5）本专利技术通过对蜂窝碳的物理表征及电化学测试结果分析得出以下结论：蜂窝碳表面负载的小尺寸pt纳米粒子提高pt的利用率；pt纳米粒子和蜂窝碳载体之间的相互作用提高催化剂的内在活性；具有高比表面的三维多级孔道结构蜂窝碳可以极大提升活性位点的暴露程度和反应物、产物的传质效率和导电性；蜂窝碳中原位生成的钴氮官能团也具有一定的orr催化性能。因此最终获得的蜂窝碳载铂催化剂表现出了相当优异的orr催化性能和稳定性。通过后续的电化学性能测试表明，其催化活性，循环稳定性均优于目前所用的商业pt/c催化剂。
16、本专利技术还提供了上述方法制备的载铂蜂窝碳催化剂在质子交换膜燃料电池中作为阴极氧还原催化剂的应用。
17、将该催化剂应用于燃料电池，可降低燃料电池的成本，提高燃料电池性能稳定性，推动了燃料电池的商业化应用进程。
18、本专利技术还提供了上述方法制备的载铂蜂窝碳催化剂在废水处理中作为臭氧催化氧化剂的应用。
19、将该催化剂应用于难降解废水的处理，可在不增加药剂的前提下有效降解有机物，为废水处理提供了新的途径。
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1.一种载铂蜂窝碳催化剂，其特征在于，是以多孔结构的蜂窝碳作为载体，将铂纳米颗粒均匀、牢固分布在所述多孔道蜂窝碳载体上，其中Pt的负载量不高于20 wt%，所述铂纳米颗粒的粒径为2～5nm。
2.如权利要求1所述的载铂蜂窝碳催化剂，其特征在于，所述载铂蜂窝碳催化剂包含氮元素，且以吡啶-N、吡咯-N和石墨-N的形式存在。
3.一种如权利要求1或2所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
4.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，乙醇、氨水、去离子水与硅酸乙酯的体积比为20～40:0.5～1:2～5:1～4。
5.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，二氧化硅纳米微球、过渡金属钴盐、二甲基咪唑的质量比为1～8:6～10:10～20。
6.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，所述S3步骤中，紫色粉末中间体二氧化硅@ZIF-67置于管式炉时，在N2氛下以5～10℃/min的升温速率升至400～600℃，保温1～4h。
...【技术特征摘要】
1.一种载铂蜂窝碳催化剂，其特征在于，是以多孔结构的蜂窝碳作为载体，将铂纳米颗粒均匀、牢固分布在所述多孔道蜂窝碳载体上，其中pt的负载量不高于20 wt%，所述铂纳米颗粒的粒径为2～5nm。
2.如权利要求1所述的载铂蜂窝碳催化剂，其特征在于，所述载铂蜂窝碳催化剂包含氮元素，且以吡啶-n、吡咯-n和石墨-n的形式存在。
3.一种如权利要求1或2所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
4.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，所述s1步骤中，乙醇、氨水、去离子水与硅酸乙酯的体积比为20～40:0.5～1:2～5:1～4。
5.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制备方法，其特征在于，所述s2步骤中，二氧化硅纳米微球、过渡金属钴盐、二甲基咪唑的质量比为1～8:6～10:10～20。
6.如权利要求3所述的载铂蜂窝碳催化剂制...
【专利技术属性】
技术研发人员：符冬菊，胡照，谢巧玲，吴思国，朱子岳，吴丹，曾绍忠，于肖，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：
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