[發明專利]一種鉑負載氮/硫共摻雜多孔碳納米纖維材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 202110321193.0
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113089136B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 陳曉紅;武英;張永明
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F1/10;H01M4/92;B82Y40/00;B82Y30/00;H01G11/24;H01G11/36;C25B1/04;C25B11/04
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發明涉及一種鉑負載氮/硫共摻雜多孔碳納米纖維材料及其制備和應用，該制備方法包括以下步驟：(1)取PAN和PVP浸入到N,N?二甲基甲酰胺中，攪拌得到分散均勻的混合溶液；(2)將混合溶液通過靜電紡絲制備得到PAN/PVP納米纖維；(3)將PAN/PVP納米纖維、硫脲和氯鉑酸溶液進行混合，反應，得到氯鉑酸?硫脲?多孔PAN納米纖維；(4)將氯鉑酸?硫脲?多孔PAN納米纖維置于惰性氣體保護下，先預氧化，再升溫碳化，冷卻，即得到目的產物。與現有技術相比，本發明的納米纖維材料有利于復合材料的提高其催化劑的活性位點和質量儲氫密度，還能降低其脫氫溫度，實現了其可逆吸放氫等，可以應用在燃料電池、電解水制氫、鋰離子電池和超級電容器中等。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，涉及一種鉑負載氮/硫共摻雜多孔碳納米纖維材料及其制備和應用。

背景技術

隨著社會發展，日益嚴重的空氣污染和有限的傳統能源增強了尋找可持續和可再生能源的機遇。燃料電池和電解水制氫由于其綠色、清潔、高效等特點，已經成為研究新能源應用的一個重要方向，被視為最具潛力的新能源技術。然而現階段，燃料電池和電解水制氫因為諸多技術難題，還不足以被廣泛使用。其中最主要的問題之一在于，燃料電池的陰極氧還原反應(ORR)、析氧反應(OER)、析氫反應(HER)的反應動力學緩慢，需要高效催化劑降低反應活化能，提升動力學速度。文獻報道摻雜異質原子的碳材料催化劑在堿性環境下可表現出良好的催化活性。在這些異質原子中，氮摻雜碳材料已經得到了廣泛認可，對硫元素也有報道較少，若將氮、硫作為異質原子對碳材料進行共摻雜，理論上可以提高碳材料導電性、改變碳原子及其周圍原子的電子排布和原子結構，形成具有sp²雜化的碳結構離域共軛體系，導致碳納米材料的電催化性能顯著改變。

另外，氫能是理想的能源之一，它潔凈、無毒且豐富。然而，高效、安全儲氫是氫能規?；瘧玫闹饕款i。因此，尋求高效、安全、穩定的儲氫材料已經成為近年來氫能研究的熱點和難點。近年來，碳基納米吸附材料因其獨有的質量輕、表面積大及儲氫安全和高吸放氫氣性能等特點，引起了研究者的極大興趣。但是純碳基納米材料與氫氣之間主要是通過范德華力和靜電場力等物理吸附，進行儲氫。所以，純碳納米材料對氫的吸附比較弱，儲氫量也比較低，遠遠未能達到實際應用的需求。

基于以上所述，主要采用異質原子及鉑金屬來負載或摻雜碳基納米材料作為燃料電池陰極和電解水制氫催化劑及儲氫材料，包括：

(1)異質原子氮(N)和硫(S)摻雜的碳基納米材料。N原子摻雜到多孔碳材料中不僅可提高燃料電池和電解水制氫催化劑活性，還可提高相鄰碳的氫氣吸附能，使其儲氫密度比純碳材料高出18％，極大的提高了其儲氫性能。同樣，硫原子摻雜到碳材料后，因其高電負性及相鄰碳原子的電子排布改變，形成具有sp²雜化的碳結構離域共軛體系，使其氧氣吸附的位點變多，從而增加其催化活性。另外，也可與氫氣吸附變強從而提高其儲氫性能。因此，可靠又穩定的氮/硫源及比表面積大的碳基材料是此類儲氫材料的關鍵。

(2)鉑金屬負載在碳基納米材料。鉑金屬由于其內聚能小，鉑金屬負載的碳基納米材料，能夠提高燃料電池陰極和電解水制氫催化劑的催化活性，以及和氫分子之間作用增強，達到較高的儲氫量，引起研究者的極大興趣。鉑金屬的優勢主要表現在：(i)燃料電池和電解水制氫催化劑催化活性的提高。鉑金屬負載到碳基納米材料，其催化活性能夠明顯增加。(ii)儲氫性能增加。貴金屬鉑負載在碳基納米材料，其儲氫性能得到明顯提高。將鉑負載在三維(3D)多孔石墨烯后，在一定的溫度和壓力下，其儲氫密度具有明顯提高，其儲氫量可達到5～6wt％。因此鉑原子負載到碳基材料中，不僅提高其燃料電池和電解水制氫催化活性，還可增加其儲氫性能。

然而，鉑金屬負載在碳基納米材料后的結合能小，所以，在實際應用中會導致鉑金屬在納米材料表面容易團聚，導致燃料電池陰極和電解水制氫的催化活性及儲氫量均大大降低。

發明內容