[發明專利]負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑、其制法及應用

在審

• 申請號: 201610552160.6
• 申請日: 2016-07-14
• 公開（公告）號: CN107623134A
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 王強斌;汪昌紅;胡峰;楊紅超;張葉俊
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙)32256
• 代理人: 王鋒

技術領域

本發明具體涉及一種負載鉑的氮磷共摻雜碳材料的析氫復合催化劑、其制備方法以及在析氫反應中的應用，屬于電化學析氫催化劑技術領域。

背景技術

當今由于化石燃料的過度使用以及對環境造成的污染，已經引起了人們對可再生能源的廣泛關注。氫氣由于具有高能量密度和環境零污染被認為是在可再生能源應用中一個極具有前景的化學燃料。電解水是一種高效的產氫方法，但該種方法主要依賴于陰極催化劑。貴金屬鉑是至今最好的析氫催化劑，但由于鉑有限的儲量和昂貴的價格限制了其大規模的商業應用。近年來，業界研發人員陸續發展了很多非貴金屬基析氫催化劑，但是他們的催化性能仍遠差于鉑。減少鉑的納米顆粒的尺寸是一種有效的提高原子利用率的方法。目前，固定鉑納米顆粒在高比表面積的基底上來達到對尺寸的控制和防止團聚引起了人們的廣泛關注。碳材料由于具有高導電性和化學穩定性被認為是一個理想的電催化基底，但是在減少鉑的用量的前提下依然具有優異的電催化性能依然是一個挑戰。因此，開發一種低載鉑量、高催化活性和高循環穩定性催化劑具有重要意義。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑、其制備方法以及應用，以克服現有技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例提供了一種負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑的制備方法，其包括：

于保護性氣氛中高溫煅燒主要由含磷前驅體與含氮聚合物單體反應形成的含氮聚合物，得到氮磷共摻雜的碳材料；

將所述氮磷共摻雜的碳材料與鉑源在溶劑中均勻混合，并加入還原劑，制得負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑。

本發明實施例還提供了由前述方法制備的負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑。

本發明實施例還提供了前述負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑于析氫電催化領域的應用。

與現有技術相比，本發明的優點至少在于：

1.本發明的負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑的制備方法易于操作，簡單可靠，且成本低廉，易于實現大規模生產；

2.本發明的負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑具有非常優異的電催化活性和穩定性，在電化學析氫領域具有巨大的應用前景。

附圖說明

圖1a-圖1b分別為本發明實施例1中所制備的氮磷共摻雜碳材料的掃描電子顯微鏡照片和透射電子顯微鏡照片；

圖2為本發明實施例1中所制備負載鉑的氮磷共摻雜碳催化劑的高角環形暗場像掃描電子顯微鏡照片。

圖3為本發明實施例1中所制備的負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑的碳、氮、磷和鉑的元素分布照片；

圖4為本發明實施例1中所制備的負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑(Pt/NPC)和商業鉑碳催化劑(20％Pt/C(Alfa))的析氫電催化性能極化曲線圖。

具體實施方式

鑒于現有技術中的不足，本案發明人經長期研究和大量實踐，得以提出本發明的技術方案。如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。

本發明實施例的一個方面提供的一種負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑的制備方法，其包括：

于保護性氣氛中高溫煅燒主要由含磷前驅體與含氮聚合物單體反應形成的含氮聚合物，得到氮磷共摻雜的碳材料；

將所述氮磷共摻雜的碳材料與鉑源在溶劑中均勻混合，并加入還原劑，制得負載鉑的氮磷共摻雜碳材料析氫催化劑。

在一些較佳實施方案中，所述的制備方法包括：在溫度為0～4℃的條件下將含磷前驅體、含氮聚合物單體以及引發劑于溶劑中快速混合，并將混合液靜置過夜，之后以去離子水充分洗滌，再凍干，其后在氮氣氛圍中以1～20℃/min的速率升溫至600～1000℃煅燒0.5～12h，之后冷卻至室溫，獲得氮磷共摻雜的碳材料。

其中，所述含氮聚合物單體包括吡咯、苯胺、噻吩中的任意一種或兩種以上的組合，但并不限于此。

其中，所述含磷前驅體包括植酸，D-肌醇-1,3,4,5-四磷酸，但并不限于此。

其中，所述引發劑包括過硫酸銨，但并不限于此。

其中，所述溶劑包括水，但并不限于此。

較為優選的，所述含磷前驅體與含氮聚合物單體的摩爾比為1：1～15，更優選為1：1～7。