[發明專利]一種基于介觀結構的高性能低鉑燃料電池催化劑及其制法

有效

• 申請號: 201810614133.6
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN108808022B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 丁維平;陳騰;趙斌;魏大力;許逸達;王濤;郭學鋒;彭路明;祝艷;郭向可;薛念華
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 高玲玲

1.一種基于介觀結構的高性能低鉑燃料電池催化劑，其特征在于：所述催化劑為具有雙異質結結構的Pt/CN/M催化劑，其中M為過渡金屬，CN為高度石墨化的氮摻雜碳層，M在最靠近載體的最底層，Pt在催化劑表面；

所述催化劑采用以下步驟制備：

步驟1：將碳載體和溶劑混合攪拌后，過濾烘干，之后用酸溶液處理，再過濾洗滌至中性，烘干、研磨得到預處理后的碳載體；

步驟2：將預處理后的碳載體加入過渡金屬前驅體的水溶液中混合，混合物超聲分散再機械攪拌得到混合漿料；將混合漿料干燥，所得固體粉末置于管式爐中，在氣體保護條件下加熱得到負載過渡金屬氧化物的碳載體；

步驟3：將負載過渡金屬氧化物的碳載體和間二甲苯混合后，加入作為氮源的含氮有機物和碳源有機物以及結構助劑，在冷凝回流的條件下攪拌處理，冷卻后過濾、干燥、研磨得到固體粉末，將固體粉末置于管式爐中，惰性氣體保護下加熱得到氮摻雜碳殼包覆的負載催化劑載體；

步驟4：步驟3的產物和多巴胺溶液混合、過濾、干燥，向多巴胺處理后的固體粉末中加入鉑前驅體的水溶液，超聲波分散再機械攪拌得到混合漿料，將混合漿料干燥，固體粉末置于管式爐中，在還原性氣氛下加熱，得到包含雙異質結結構的介觀結構Pt/CN/M催化劑。

2.一種基于介觀結構的高性能低鉑燃料電池催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：將碳載體和溶劑混合攪拌后，過濾烘干，之后用酸溶液處理，再過濾洗滌至中性，烘干、研磨得到預處理后的碳載體；

步驟2：將預處理后的碳載體加入過渡金屬前驅體的水溶液中混合，混合物超聲分散再機械攪拌得到混合漿料；將混合漿料干燥，所得固體粉末置于管式爐中，在氣體保護條件下加熱得到負載過渡金屬氧化物的碳載體；

步驟3：將負載過渡金屬氧化物的碳載體和間二甲苯混合后，加入作為氮源的含氮有機物和碳源有機物以及結構助劑，在冷凝回流的條件下攪拌處理，冷卻后過濾、干燥、研磨得到固體粉末，將固體粉末置于管式爐中，惰性氣體保護下加熱得到氮摻雜碳殼包覆的負載催化劑載體；

步驟4：步驟3的產物和多巴胺溶液混合、過濾、干燥，向多巴胺處理后的固體粉末中加入鉑前驅體的水溶液，超聲波分散再機械攪拌得到混合漿料，將混合漿料干燥，固體粉末置于管式爐中，在還原性氣氛下加熱，得到包含雙異質結結構的介觀結構Pt/CN/M催化劑。

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟1中的碳載體為XC-72、XC-72R、Black Pearls 2000、乙炔黑、Ketjen Black系列導電碳黑或碳納米管中的一種或兩種以上混合物。

4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟1中的溶劑為乙醇、異丙醇、正丁醇、正己烷、環己烷、丙酮中的一種或兩種以上種混合物；酸溶液為硫酸、硝酸、醋酸中的一種或兩種以上混合物。

5.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟2中的過渡金屬為Fe、Co、Ni、Cr、Mn、W、Sn、Pb、Mo或V中的一種或兩種以上種混合物，過渡金屬前驅體為過渡金屬的硝酸鹽、硫酸鹽、乙酸鹽、鹽酸鹽、氯酸鹽中的一種或兩種以上混合物。

6.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟2中在管式爐中加熱溫度為200～600℃，加熱時間為0.5～6h，氣體為氮氣、氬氣或空氣中的一種或兩種以上混合物。

7.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟3中的含氮有機物為尿素、硫脲、乙二胺、氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、三聚氰氯中的一種或兩種以上混合物；碳源有機物為殼聚糖、葡萄糖、果糖、四氯化碳、乙二胺四乙酸、檸檬酸中的一種或兩種以上混合物；結構助劑為間苯二胺、對氨基苯酚中的一種或兩種混合物。

8.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟3中在管式爐中加熱溫度為400～1000℃，加熱時間為0.5～24h，惰性氣體為高純氮氣或高純氬氣。