【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电催化能源转化，具体涉及一种有机分子修饰的单金属碳基催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢气是一种绿色可再生能源，被认为是未来较为理想的能量载体。然而，由于低密度和易燃易爆等缺点，氢气的储存和运输仍然是目前该领域面临的难题之一。作为一种高含氢(10.6wt％)的小分子，硼氢化钠因具有高的能量密度(9.3kwh/kg)而受到广泛的研究，与氢气相比，硼氢化钠具有更高的安全性和便携性。因此，硼氢化钠被用作燃料电池的阳极燃料，在阴极采用氧气进料的条件下，直接硼氢化钠燃料电池(dbfc)的理论开路电压达到了1.64v，远高于氢空燃料电池(1.23v)。
2、dbfc由两个半反应组成，阳极发生硼氢化钠电氧化反应(sodium borohydrideoxidation reaction，bor)，阴极发生氧还原反应(oxygen reduction reaction，orr)。尽管dbfc已被研究了许多年，但其仍存在着阳极bor催化剂活性偏低的问题。另外由于硼氢化钠水解和析氢反应等副反应的发生，硼氢化钠电氧化过程中的电子转移数较低，导致dbfc中阳极燃料的利用不充分，严重限制了其大规模的工业应用。因此，如何开发高效稳定且具有高电子转移数的bor催化剂成为该领域面临的关键问题之一。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种有机分子修饰的单金属碳基催化剂及其制备方法，提高硼氢化钠电氧化活性。
2、本专利技术的另一目的在于提供有机分子修饰的单金属碳基催
3、本专利技术提供的有机小分子修饰的单金属碳基催化剂，以碳材料作为载体，其上均匀分散有超小尺寸(粒径为3-10nm)的金属纳米颗粒，并利用有机小分子进行修饰；所述金属纳米颗粒作为催化活性位点，对硼氢化物具有较强的吸附作用，有机分子均匀分布于金属纳米颗粒之上，起到稳定金属活性位点的作用，避免其被硼氢化钠彻底还原，实现催化剂的高稳定性；碳载体与金属元素的质量配比为10：(2-5)。
4、进一步地：
5、所述有机小分子为三聚氰胺、油胺、乙二胺、三乙胺、二氰二胺中的一种。
6、所述金属为au、ag、pt、pd、ru、ir中的一种。
7、所述碳载体为导电碳黑xc-72、导电碳黑bp2000、导电碳黑乙炔黑中的一种。
8、本专利技术还提供上述有机小分子修饰的单金属碳基催化剂的制备方法，采用两步法，具体步骤为：
9、(1)将碳载体加入至分散液中，超声5-20分钟得到悬浊液；后续滴加金属元素的前驱体溶液，并搅拌5-20分钟；然后，往所述前驱体溶液中逐滴加入碱性溶液，搅拌5-20小时，收集沉淀物并干燥，即可得到金属原子负载的碳载体前驱体；
10、(2)称取上述金属原子负载的碳载体前驱体，超声分散于适量的溶剂中，并加入一定量所述的有机小分子，20-40℃下搅拌5-30分钟，收集沉淀物并干燥，即得到有机小分子修饰的单金属催化剂。
11、进一步地：
12、步骤(1)中所述分散液为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺中的至少一种；
13、步骤(1)中金属元素的前驱体溶液为au、ag、pt、pd、ru、ir的盐酸盐、乙酰丙酮盐、硝酸盐或氯酸盐的一种；
14、步骤(1)中所述碱性溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠、碳酸钾、氨水中的一种；
15、步骤(2)中所述溶剂为水、甲醇、异丙醇、乙醇、乙二醇、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺中的一种。
16、本专利技术提供有机分子修饰的单金属碳基催化剂，可用于制备硼氢化钠电氧化的电极材料。电极材料由导电基底和涂覆在导电基底上的有机分子修饰的单金属碳基催化剂层组成；所述导电基底为导电金属泡沫、碳布、导电金属片和碳纸中的一种；所述导电基底的厚度为0.5mm-2.5mm，所述电极中催化剂层的负载量为0.5mg/cm2-5 mg/cm2。
17、本专利技术提供上述电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
18、首先，将有机分子修饰的单金属碳基催化剂分散于粘结剂、有机溶剂的混合溶液中，超声20-60分钟后，将催化剂负载到电极基底上；空气中40-60℃条件下烘干后，作为直接硼氢化钠燃料单池的阳极材料。
19、进一步的，所述粘结剂为全氟磺酸树脂溶液、聚四氟乙烯溶液、聚对苯二甲酸乙二醇酯溶液中的一种。
20、进一步的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、乙二醇中的一种。
21、本专利技术还提供硼氢化燃料电池测试装置，其使用所述的有机分子修饰的单金属碳基催化剂用作直接硼氢化钠燃料电池的阳极，以铂含量10-80％的铂碳催化剂作为阴极催化剂，以厚度20-250μm的全氟磺酸树脂质子交换膜作为隔膜，带有多孔层的碳纸作为阴极气体扩散层，阳极燃料为0.1-3mol/l的硼氢化钠和1-3mol/l的氢氧化钠混合溶液，阴极通入纯氧气，气体流速为50-150ml/min。阳极燃料为特定浓度的硼氢化钠碱溶液，阴极通入氧气。
22、与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优势：
23、(1)本专利技术提供的有机分子修饰的单金属碳基催化剂，与同类商业催化剂相比，具有更低的金属负载量，且制备方法较为简单，基底采用商业碳黑，金属原料市面来源广泛，易于大规模制备，因此生产成本低廉，生产过程高效，有利于工业化应用；
24、(2)使用所述的有机分子修饰的单金属碳基催化剂作为硼氢化钠电氧化电催化剂，表现出了较低的电荷转移电阻，并实现了高的电子转移数，对阳极燃料的利用较为充分，有利于硼氢化钠的高效电氧化过程；
25、(3)本专利技术提供的有机分子修饰的单金属碳基催化剂用于直接硼氢化钠燃料电池，催化剂中的金属元素存在正价，充当硼氢化钠电氧化的活性位点，而表面修饰的有机分子增强了该正价金属在硼氢化钠溶液中的稳定性；与处于金属态的商业催化剂相比，所述有机分子修饰的单金属碳基催化剂对硼氢化物具有高的吸附能力，打破了硼氢化钠电氧化反应动力学过程的惰性，因此在直接硼氢化钠燃料电池中表现出较高的功率密度，与此同时，该催化剂微观形貌和结构稳定，能够实现长期的稳定工作，展现出了较为广阔的应用前景。
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1.一种有机小分子修饰的单金属碳基催化剂，其特征在于，以碳材料作为载体，其上均匀分散有平均粒径为3-10nm的金属纳米颗粒，并利用有机小分子进行修饰；所述金属纳米颗粒作为催化活性位点，对硼氢化物具有较强的吸附作用，有机分子均匀分布于金属纳米颗粒之上，用于稳定金属活性位点；所述碳载体与金属元素的质量配比为10：(2-5)。
2.根据权利要求1所述的单金属碳基催化剂，其特征在于，所述有机小分子为三聚氰胺、油胺、乙二胺、三乙胺、二氰二胺中的一种；所述金属为Au、Ag、Pt、Pd、Ru、Ir中的一种。
3.根据权利要求1所述的单金属碳基催化剂，其特征在于，所述碳载体为导电碳黑XC-72、导电碳黑BP2000、导电碳黑乙炔黑中的一种。
4.如权利要求1-3之一所述的单金属碳基催化剂的制备方法，其特征在于，采用两步法，具体步骤为：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
6.一种硼氢化钠电氧化的电极材料，其特征在于，由导电基底和涂覆在导电基底上的如权利要求1-3所述的有机分子修饰的单金属碳基催化剂层组成；所述导电基底为导电金
7.如权利要求6所述的硼氢化钠电氧化的电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为全氟磺酸树脂溶液、聚四氟乙烯溶液、聚对苯二甲酸乙二醇酯溶液中的一种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙二醇中的一种。
9.一种硼氢化燃料电池测试装置，其特征在于，使用如权利要求1-3之一所述的有机分子修饰的单金属碳基催化剂用作直接硼氢化钠燃料电池的阳极，以铂含量10-80％的铂碳催化剂作为阴极催化剂，以厚度20-250μm的全氟磺酸树脂质子交换膜作为隔膜，带有多孔层的碳纸作为阴极气体扩散层，阳极燃料为0.1-3mol/L的硼氢化钠和1-3mol/L的氢氧化钠混合溶液，阴极通入纯氧气，气体流速为50-150mL/min。阳极燃料为特定浓度的硼氢化钠碱溶液，阴极通入氧气。
...【技术特征摘要】
1.一种有机小分子修饰的单金属碳基催化剂，其特征在于，以碳材料作为载体，其上均匀分散有平均粒径为3-10nm的金属纳米颗粒，并利用有机小分子进行修饰；所述金属纳米颗粒作为催化活性位点，对硼氢化物具有较强的吸附作用，有机分子均匀分布于金属纳米颗粒之上，用于稳定金属活性位点；所述碳载体与金属元素的质量配比为10：(2-5)。
2.根据权利要求1所述的单金属碳基催化剂，其特征在于，所述有机小分子为三聚氰胺、油胺、乙二胺、三乙胺、二氰二胺中的一种；所述金属为au、ag、pt、pd、ru、ir中的一种。
3.根据权利要求1所述的单金属碳基催化剂，其特征在于，所述碳载体为导电碳黑xc-72、导电碳黑bp2000、导电碳黑乙炔黑中的一种。
4.如权利要求1-3之一所述的单金属碳基催化剂的制备方法，其特征在于，采用两步法，具体步骤为：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：
6.一种硼氢化钠电氧化的电极材料，其特征在于，由导电基底和涂覆在导电基底上的如权利要求1-3所述的有机分子修饰的单金属碳基催...
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