【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池领域，涉及燃料电池中担载催化剂的碳载体，尤其涉及一种功能化碳载体及其制备方法与用途。
技术介绍
1、以氢气为动力的燃料电池，因具有能量转换效率高、清洁无污染等优点，有望成为下一代的清洁能源系统。推进氢燃料电池技术的关键，是提高其阴极氧还原反应(orr)的反应动力学，改善催化剂的高成本和耐久性差等问题。
2、目前，商业化的催化剂主要是pt/c催化剂(铂碳催化剂)，其结构主要是活性pt颗粒负载在碳载体的表面。其中，碳载体不仅要有效地分散pt纳米颗粒，而且还要提供传质和导电作用。
3、当使用传统常规碳载体材料时，如xc-72、bp2000、ketjen blank等，pt颗粒主要负载在碳材料的表面，因此，在燃料电池的反应工况中，pt颗粒很容易出现团聚脱落的现象，从而降低了pt的利用率，影响系统的整体效率。而且，这些传统常规碳材料通常具有疏水性和表面惰性，其与pt颗粒的相互作用力较弱，也会在一定程度上影响催化剂的稳定性。
4、cn113113624a公开了一种纳米铂催化剂，其利用碳纳米管替代传统常规的碳载体，该碳纳米管比表面覆盖有一层原位生长的氧化锰亲水功能层，从而能使得铂纳米颗粒均一分散在该氧化锰亲水层上，提高了分散性，增强了复合催化剂的整体性能。cn114300693a公开了一种碳载体活化提高燃料电池碳载铂基催化剂稳定性的方法，所述方法利用强碱在高温条件下对碳载体表面进行活化，使表面具有凹陷孔结构，从而将铂基纳米颗粒担载于孔中，以此降低铂纳米颗粒的迁移团聚问题，从而延缓活性降
5、可见，通过对传统碳载体进行优化和改善，尤其是解决碳载体的疏水和表面惰性引起的铂负载问题，以研发高性能和高耐久的燃料电池碳载体，提高铂利用率，延长催化剂的使用寿命，对于推动燃料电池的大规模商业化发展具有重要意义。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种功能化碳载体及其制备方法与用途，所述制备方法包括将碳材料进行酸处理，得到改性碳材料，混合所述改性碳材料与氮源，进行热处理，得到功能化碳载体。本专利技术通过酸处理后再使用氮源进行氮掺杂以引入杂原子对碳载体进行功能化；其中，酸处理引入氧掺杂，氧掺杂不仅能提供富氧环境，以加速燃料电池反应，还能改善碳载体的亲水性和表面活性，对碳载体实现预活化，保证后续的氮掺杂具有优异效果；而掺杂氮可以提供沉积位点，提高对铂颗粒的锚定作用，缓解铂颗粒的脱落迁移；所述功能化碳载体中的氮氧含量可以灵活调节，能满足不同工况条件下铂碳催化剂对碳载体的要求。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种功能化碳载体的制备方法，所述制备方法包括：
4、将碳材料进行酸处理，得到改性碳材料，混合所述改性碳材料与氮源，进行热处理，得到功能化碳载体。
5、本专利技术主要的目的在于提供一种适用于燃料电池铂碳催化剂的碳载体及其制备方法，主要以解决传统常规碳载体的疏水性和表面惰性的共性问题作为出发点，通过采用酸处理进行氧掺杂及采用氮源进行氮掺杂相配合，得到杂原子掺杂的、表面功能化的且多孔的碳载体；这种表面功能化的碳载体作为燃料电池催化剂的载体来负载铂颗粒时，掺杂氮能为铂的沉积提供位点，且氮和铂之间的电子相互作用不仅能提高对铂的锚定作用，还能调节铂的电子结构，从而提高其催化活性；而掺杂氧的引入，可以为铂催化剂提供一定的富氧环境，提高氧气与铂催化位点的碰撞频率，可进一步加速燃料电池的反应。需要强调的是，酸处理需要在氮掺杂之前进行，因酸处理同时可以改善传统常规的碳材料的疏水性和表面惰性，从而改善无法直接进行氮掺杂能化处理或氮掺杂效果较差的问题。
6、需要说明的是，所述“功能化”是指碳材料在原始的碳材料的表面引入特定的功能官能团或结构或进行如掺杂等的改性处理，而优化原始碳材料，提升其物理、化学或机械性能，从而满足不同领域的应用。
7、以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。
8、作为本专利技术优选的技术方案，所述碳材料包括碳黑。
9、优选地，所述碳黑包括xc-72、ec-300j、ec-600jd、mh-18或bp2000中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例包括xc-72与ec-300j的组合、ec-600jd与xc-72的组合、xc-72与mh-18的组合、xc-72与bp2000的组合、ec-300j与ec-600jd的组合或mh-18与bp2000的组合，优选为mh-18。
10、作为本专利技术优选的技术方案，所述酸处理的酸液包括硝酸。
11、优选地，所述硝酸的浓度为6％～45％，例如6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％、32％、34％、36％、38％或45％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
12、优选地，浓度为6％～45％的硝酸通过使用68％的浓硝酸与水按体积比1:(0.5～10)配制得到，例如1:0.5、1:1、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9或1:10等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
13、优选地，所述酸处理在加热下进行。
14、优选地，所述加热的温度为80～90℃，例如80℃、82℃、84℃、86℃、88℃或90℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
15、优选地，所述酸处理的时间为3～6h，例如3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
16、氧掺杂的量可以通过酸处理的温度和时间来进行调整和控制，如不进行加热或加热温度不足时，会降低氧化能力，导致氧含量下降。酸处理优选使用硝酸，使用其他酸如盐酸和硫酸会带来杂质元素，如硫，其不易去除，从而影响后续制得的铂碳催化剂的性能。
17、优选地，所述酸处理之后，对所得改性碳材料进行洗涤及干燥。
18、作为本专利技术优选的技术方案，所述混合在包含有机溶剂的液相体系中进行。
19、优选地，所述有机溶剂包括乙醇和/或甲醇。
20、优选地，所述液相体系中还包括水。
21、优选地，所述液相体系中有机溶剂与水的体积比为(2～6):1，例如2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1或6:1等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
22、优选地，所述混合之后，先进行干燥得到固体粉末，再对所述固体粉末进行热处理。
23、作为本专利技术优选的技术方案，所述氮源包括含氮有机小分子。
24、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种功能化碳载体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料包括碳黑；
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述酸处理的酸液包括硝酸；
4.根据权利要求1-3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合在包含有机溶剂的液相体系中进行；
5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述氮源包括含氮有机小分子；
6.根据权利要求1-5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为500～900℃，时间为2～4h；
7.根据权利要求1-6任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
8.一种功能化碳载体，其特征在于，所述功能化碳载体通过权利要求1-7任意一项所述的制备方法得到。
9.一种铂碳催化剂，其特征在于，所述铂碳催化剂含有权利要求8所述的功能化碳载体。
10.一种燃料电池，其特征在于，含有权利要求9所述的铂碳催化剂。
【技术特征摘要】
1.一种功能化碳载体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳材料包括碳黑；
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述酸处理的酸液包括硝酸；
4.根据权利要求1-3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合在包含有机溶剂的液相体系中进行；
5.根据权利要求1-4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述氮源包括含氮有机小分子；
6.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：高姣姣，王英，程晓草，孙奎，邱天杰，彭裕，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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