[發(fā)明專利]一種基于介孔碳基體的雙功能催化劑及其磁電沉積制法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110136075.2
• 申請(qǐng)日: 2021-02-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112934248B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鞏彥龍;李東剛;趙燦;崔鵬鶴;王強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J37/34;B01J35/10;C25D5/18;C25D3/56;C25B11/091;C25B11/031;C25B1/02;B82Y30/00;H01M4/88;H01M4/92
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 馬海芳

一種基于介孔碳基體的雙功能催化劑及其磁電沉積制法，屬于電化學(xué)催化領(lǐng)域。該基于介孔碳基體的雙功能催化劑的磁電沉積制備方法，采用將摻雜N缺陷介孔碳原位生長(zhǎng)ZIFs的高溫碳化體作為介孔碳基體，以雙脈沖+不同磁場(chǎng)耦合的磁電沉積方式制備雙功能催化劑，在催化劑載體層面兼顧了缺陷介孔碳和ZIFs的豐富缺陷活性位點(diǎn)和擴(kuò)大比表面積的優(yōu)勢(shì)，另外在沉積時(shí)使沉積方式由傳統(tǒng)的二維表面沉積改善為空間三維載體化的立體電沉積，該方法不僅能夠有效改善催化劑顆粒尺寸，提升催化活性，并且可以通過(guò)不同的磁場(chǎng)耦合方式制備側(cè)重點(diǎn)不同的雙功能催化劑，簡(jiǎn)潔高效，具備很大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)催化領(lǐng)域，涉及一種基于介孔碳基體的雙功能催化劑及其磁電沉積制法。

背景技術(shù)

為了滿足未來(lái)能源的發(fā)展需求及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變，開(kāi)發(fā)利用清潔、低碳的新能源及可再生能源受到了世界各國(guó)的關(guān)注。對(duì)于正在發(fā)展的新能源和可再生能源，燃料電池及氫能受到了極大的重視，其中，影響以上新能源開(kāi)發(fā)最重要的因素即為具有較高活性的氧還原催化反應(yīng)(ORR)和析氫反應(yīng)(HER)催化劑。盡管貴金屬及其合金催化劑有著最為優(yōu)異的催化效果，但目前受制于貴金屬催化劑的價(jià)格及儲(chǔ)量因素，我們急需找到一種廉價(jià)的高性能催化劑。

電沉積制備催化劑相比于目前水熱法，高溫?zé)徇€原法等制備方法具有常溫反應(yīng)，短時(shí)高效，易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，具備大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的潛力。

例如現(xiàn)有的過(guò)渡金屬單原子催化劑，雖然其單位活性高，但由于制備過(guò)程繁瑣，周期冗長(zhǎng)，金屬載量過(guò)低，同時(shí)對(duì)于需要多個(gè)催化反應(yīng)位點(diǎn)的雙功能催化劑，單原子催化劑存在明顯不足，并且現(xiàn)有的雙功能催化劑并不能根據(jù)應(yīng)用對(duì)其功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用電沉積技術(shù)進(jìn)行催化劑的制備能夠使得催化劑制備縮短周期，短時(shí)間內(nèi)可以極大增加金屬載量。

傳統(tǒng)的電沉積主要用于膜層的制備，在導(dǎo)電玻璃，石墨烯，碳納米管等碳載體上制備金屬催化劑時(shí)容易造成顆粒粗大，分散不均，并且沉積時(shí)由于電極與溶液界面處金屬離子的持續(xù)性消耗造成沉積效率大為下降，會(huì)難以避免的產(chǎn)生非必要團(tuán)聚降低催化活性、活性位點(diǎn)分布不均勻等問(wèn)題。制備的合金催化劑活性較低，并且催化功能較為單一。

目前所應(yīng)用的催化劑載體通常是已存在的碳基或是純金屬，但其比表面積受到了極大的限制，因此在催化劑載體上創(chuàng)造三維結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大比表面積，從根源提升催化劑活性位點(diǎn)的數(shù)量及分布均勻性有利于提升催化劑的活性，但是目前催化劑載體通過(guò)擴(kuò)大比表面積的方式是直接將ZIFs進(jìn)行碳化制備介孔碳，從而增加介孔碳比表面積，其增加程度有限，并且不能兼顧摻雜N缺陷介孔碳特性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，為了構(gòu)建更具有催化優(yōu)勢(shì)的低含量貴金屬催化劑，本發(fā)明提供了一種基于介孔碳基體的雙功能催化劑及其磁電沉積制法，其采用將摻雜N缺陷介孔碳原位生長(zhǎng)ZIFs的高溫碳化體作為介孔碳基體，以雙脈沖+不同磁場(chǎng)耦合的磁電沉積方式制備催化劑，在催化劑載體層面兼顧了缺陷介孔碳和ZIFs的豐富缺陷活性位點(diǎn)和擴(kuò)大比表面積的優(yōu)勢(shì)，另外在沉積時(shí)使沉積方式由傳統(tǒng)的二維表面沉積改善為空間三維載體化的立體電沉積，這種磁電耦合在上述介孔碳基體上的電沉積制備方式不僅能夠有效改善催化劑顆粒尺寸(≤2nm)，提升催化活性，并且可以通過(guò)不同的磁場(chǎng)耦合方式制備側(cè)重點(diǎn)不同的雙功能催化劑，簡(jiǎn)潔高效，具備很大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。該雙功能催化劑是一種基于新型介孔碳基體的高比表面積且廉價(jià)高效的具有氧還原(ORR)催化活性和析氫反應(yīng)(HER)催化活性的催化劑。

本發(fā)明的一種基于介孔碳基體的雙功能催化劑的磁電沉積制備方法，其采用ZIFs碳化體包裹摻雜氮的缺陷介孔碳作為催化劑載體，以Pd²⁺和過(guò)渡金屬M(fèi)²⁺的混勻液作為沉積液，利用雙脈沖電沉積和磁場(chǎng)耦合的磁控脈沖電沉積方法，制備PdM雙功能催化劑；并且通過(guò)調(diào)整不同磁場(chǎng)，制備不同形貌和功能的PdM雙功催化劑；其中，M為Co和/或Zn；

所述的雙脈沖電沉積為往返脈沖法和差分脈沖法；所述的磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)中的一種或幾種；