[發(fā)明專利]一種氮摻雜碳層包覆的鉑鐵金屬間化合物及其制備與應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-07-30
• 公開（公告）號: CN110465652B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王得麗;胡冶州
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F1/02;C22C38/00;H01M4/86;H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孫楊柳;曹葆青

本發(fā)明涉及了一種氮摻雜碳層包覆的PtFe金屬間化合物及其制備與應(yīng)用，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。制備方法為將鉑前驅(qū)體、鐵前驅(qū)體、含有氨基的有機物和載體均勻分散在去離子水中，得到混合溶液，然后加熱使所述混合溶液中的水分蒸發(fā)，得到粘稠狀的中間物質(zhì)；將該粘稠狀的中間產(chǎn)物烘干后進行研磨，得到固體粉末；在保護性氣體氛圍下，將該固體粉末進行煅燒，所述煅燒具體為：以1℃/min?10℃/min的升溫速度升溫至700℃?1000℃，然后保溫0.5h?5h，冷卻后，即得到氮摻雜碳包覆的PtFe金屬間化合物。本發(fā)明制備的氮摻雜碳包覆的PtFe金屬間化合物催化劑與無碳包覆的PtFe無序合金和商業(yè)碳載鉑相比具備更加優(yōu)異的氧還原活性和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及了一種氮摻雜碳層包覆的PtFe金屬間化合物及其制備與應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池作為一種可以直接將化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其具備能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫性能好、理論比容量高和環(huán)境友好等優(yōu)點。然而催化劑中貴金屬Pt較高的價格極大地制約了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展，因此在不影響活性和穩(wěn)定性的前提下同時降低催化劑中Pt的載量則顯得至關(guān)重要。目前大量研究致力于通過引入3d過渡金屬與Pt形成合金來實現(xiàn)對Pt電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進而提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，同時也極大的減少了貴金屬的載量。但是這類催化劑面臨的問題是電池工作時過渡金屬的溶解，碳載體的腐蝕和顆粒的團聚都很大程度上造成催化劑性能的衰減。近年來，Pt基金屬間化合物受到了廣泛的關(guān)注，相比于傳統(tǒng)無序合金，金屬間化合物具備獨特的幾何結(jié)構(gòu)，使得能夠精確調(diào)控Pt的晶格常數(shù)，從而具備更優(yōu)的活性和穩(wěn)定性。但是這類催化劑的制備往往需要高溫來實現(xiàn)從無序到有序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在這個過程中，納米顆粒極易發(fā)生團聚，從而造成活性位點減少，造成催化劑性能衰減。因此開發(fā)一種簡便制備高活性、高穩(wěn)定性的Pt基金屬間化合物對實現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

目前，為了解決高溫形成金屬間化合物過程和電池實際工作中催化劑的團聚等問題，主要方法有在催化劑外面包覆一層無機氧化物保護層，如SiO₂、MgO等。但是這種方法往往需要復雜的后續(xù)步驟來去除顆粒外面的氧化物層來暴露原本的活性位點，這從一定程度上增加了催化劑的制備成本，限制了燃料電池商業(yè)化發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決了目前制備金屬間化合物過程中顆粒的團聚現(xiàn)象嚴重，得到的金屬間化合物氧還原催化活性低以及穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。本發(fā)明通過浸漬法將鉑前驅(qū)體、鐵前驅(qū)體、氨基化合物和載體混合蒸干，然后通過一步高溫熱解得到原位形成的氮摻雜碳層包覆的PtFe金屬間化合物。本發(fā)明制備得到的氮摻雜碳層包覆的PtFe金屬間化合物尺寸小，制備方法加單，且催化活性高。

按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種氮摻雜碳層包覆的鉑鐵金屬間化合物的制備方法，包括以下步驟：

(1)將鉑前驅(qū)體、鐵前驅(qū)體、含有氨基的有機物和載體均勻分散在去離子水中，得到混合溶液，然后加熱使所述混合溶液中的水分蒸發(fā)，得到粘稠狀的中間物質(zhì)；將該粘稠狀的中間產(chǎn)物烘干后進行研磨，得到固體粉末；

(2)在保護性氣體氛圍下，將步驟(1)得到的固體粉末進行煅燒，所述煅燒具體為：以1℃/min-10℃/min的升溫速度升溫至700℃-1000℃，然后保溫0.5h-5h，冷卻后，即得到氮摻雜碳層包覆的PtFe金屬間化合物。

優(yōu)選地，所述鉑前驅(qū)體為氯鉑酸、氯鉑酸鉀和氯鉑酸鈉中的至少一種。

優(yōu)選地，所述鐵前驅(qū)體為氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵和硝酸鐵中的至少一種。

優(yōu)選地，所述含有氨基的有機物為單氰胺、雙氰胺和三聚氰胺中的至少一種。

優(yōu)選地，所述鉑前驅(qū)體、鐵前驅(qū)體和含有氨基的有機物的物質(zhì)的量之比為1:(1-3):(1-2.5)。

優(yōu)選地，所述載體為碳黑載體、碳納米管載體或石墨烯載體。