[發(fā)明專利]鉑基催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010631282.0
• 申請(qǐng)日: 2020-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111841600B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張震;姜誠(chéng);李輝;王海江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南方科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J37/08;H01M4/92;C25B1/04;C25B11/093
• 代理公司: 深圳中一聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44414
• 代理人: 郝文婷

本發(fā)明屬于電化學(xué)催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉑基催化劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明鉑基催化劑包括含氮碳載體以及負(fù)載于含氮碳載體上的鉑原子，屬于一種負(fù)載型催化劑。由于含氮碳載體具有良好的導(dǎo)電性，通過(guò)摻雜高含量的氮元素，有利于鉑原子吸附、配位和錨定，使鉑原子在含氮碳載體上以單原子狀態(tài)均勻分布，具有高分散性，不會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，在催化過(guò)程中可提高鉑基催化劑中鉑的利用率，降低了鉑的載量，使所得鉑基催化劑具有低鉑、高效的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明鉑基催化劑具有催化析氫和氫氣氧化的雙重活性，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉑基催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

日益增長(zhǎng)的能源需求以及環(huán)境問(wèn)題迫使世界各國(guó)開(kāi)始尋找可持續(xù)、綠色、環(huán)境友好型的能源轉(zhuǎn)換以及儲(chǔ)存技術(shù)，氫作為一種清潔可持續(xù)能源載體，受到越來(lái)越多的關(guān)注，有望成為傳統(tǒng)化石能源的替代者。在氫能源體系中，制氫與用氫是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及到能源的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換技術(shù)。目前在氫氣的制備技術(shù)中主要分為水煤氣轉(zhuǎn)化法、烴類裂解法、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化和電解水制氫。前三種技術(shù)仍然依靠傳統(tǒng)化石能源，且反應(yīng)需要高溫條件，大大降低了能量轉(zhuǎn)化效率，而且排出大量的二氧化碳。比較而言，電解水制氫技術(shù)是一種更加綠色無(wú)污染且高效的制氫技術(shù)，同時(shí)可作為一種大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)將具有波動(dòng)性、間歇性且不易儲(chǔ)能的風(fēng)能、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能。用氫方面目前應(yīng)用比較廣泛的是燃料電池技術(shù)，它是一種將氫氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、不間斷電源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

電解水制氫的陰極為析氫(HER)反應(yīng)，燃料電池的陽(yáng)極為氫氣氧化(HOR)反應(yīng)，但是目前析氫/氫氧化最高效的催化劑以鉑、鈀、銥等貴金屬材料為主，其高昂的價(jià)格和短缺的資源儲(chǔ)量大大限制了電解水制氫以及燃料電池技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)出催化活性較高、穩(wěn)定性較好且價(jià)格相對(duì)低廉的低鉑或非鉑催化劑具有非常重要的意義。雖然目前有過(guò)渡金屬M(fèi)o、W、Ni、Co等金屬的碳化物、硫化物、磷化物等非貴金屬材料在析氫、氫氧化催化應(yīng)用的報(bào)道，但是其催化活性以及穩(wěn)定性遠(yuǎn)不及商用Pt/C催化劑。此外，商用Pt/C催化劑中鉑(Pt)處于顆粒狀形態(tài)，只有顆粒表面才能夠參與催化反應(yīng)，因而大大降低了Pt的利用率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種鉑基催化劑及其制備方法和應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有Pt/C催化劑中存在鉑利用率較低的技術(shù)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明一方面提供了一種鉑基催化劑，其包括含氮碳載體以及負(fù)載于所述含氮碳載體上的鉑原子。

本發(fā)明另一方面提供一種鉑基催化劑的制備方法，其包括如下步驟：

提供三聚氰胺、碳源、溶劑和鉑源；

將所述三聚氰胺和所述碳源分散于所述溶劑中，經(jīng)干燥處理和退火處理，得到含氮碳載體；

將所述含氮碳載體與所述鉑源配制成含鉑離子的前驅(qū)體分散溶液；

將所述前驅(qū)體分散溶液中的鉑離子進(jìn)行還原處理，得到所述鉑基催化劑；

其中，所述退火處理包括兩個(gè)階段，第一階段是以1℃/min-2℃/min的升溫速率、在500℃-600℃下退火1h-2h，第二階段是以1℃/min-2℃/min的升溫速率、在800℃-900℃下退火6h-8h。

本發(fā)明再一方面提供上述鉑基催化劑或上述鉑基催化劑的制備方法制備得到的鉑基催化劑在催化電解水制氫或燃料電池陽(yáng)極反應(yīng)中的應(yīng)用。