[發(fā)明專利]一種低鉑催化劑的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110578204.3
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113388844B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾黎明;李睿;吳岱豐;王英;唐仁衡
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東省科學(xué)院資源利用與稀土開發(fā)研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 廣州科粵專利商標(biāo)代理有限公司 44001
• 代理人: 方燕;莫瑤江

本發(fā)明公開了一種低鉑催化劑的制備方法及應(yīng)用。一種低鉑催化劑，所述的催化劑由表面摻雜氮的碳載體和原位還原于碳載體表面的鉑納米顆粒組成，所述的鉑納米顆粒粒徑為1～3nm，所述的催化劑中鉑的負(fù)載量為1～14wt.％，所述的碳載體中氮的摻雜量為0.1～1at.％。本發(fā)明提出的低鉑催化劑，具有較高的電化學(xué)活性面積，可有效地降低貴金屬的使用量，提高貴金屬的利用效率；在堿性析氫反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性，在相同的金屬載量和電化學(xué)測試條件下要明顯優(yōu)于商用鉑碳。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及電催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低鉑催化劑的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著全球化石能源的逐漸消耗以及使用過程中所帶來一系列環(huán)境問題，尋找新型可替代再生能源成為了必然的趨勢。在目前所探索的新型能源類型中，由于氫氣能量密度高，來源廣泛，能量轉(zhuǎn)化過程中綠色、無污染，因而，氫能成為了目前能源領(lǐng)域備受青睞的候選者之一。氫的來源主要可通過化學(xué)重整和電解兩種方式來獲取，前者存在成本較高以及產(chǎn)生溫室氣體等問題，而電解由于可以利用間歇能源轉(zhuǎn)化的電能來有效地降低成本，同時電解產(chǎn)物純凈、無污染，因而，電解水技術(shù)是未來最具潛力的制氫途徑之一。

酸性電解水由于酸性介質(zhì)的原因，對催化材料的耐腐蝕性提出了苛刻的要求，使得可供選擇的催化劑種類十分有限，尤其是非貴金屬基催化劑。而發(fā)展堿性環(huán)境下的聚合物膜電解水技術(shù)可以有效地克服大部分催化材料的耐腐蝕性不足問題，從而保證優(yōu)異的電催化活性和穩(wěn)定性。對于鉑碳催化劑，在堿性介質(zhì)中的析氫動力學(xué)速率要慢于酸性下的速率，同時貴金屬資源較稀缺，因而提高其在堿性中的動力學(xué)速率及利用率至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種低鉑催化劑的制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明提出的低鉑催化劑中，氮元素在碳載體表面原位摻雜，負(fù)載在載體表面的鉑納米顆粒尺寸細(xì)小，分散均一；制備程序簡單，成本較低，可實(shí)現(xiàn)批量制備，具有較高的電化學(xué)活性面積，并在堿性電解水析氫催化中表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量活性。

本發(fā)明的目的是提供一種低鉑催化劑，所述的催化劑由表面摻雜氮的碳載體和原位還原于碳載體表面的鉑納米顆粒組成，所述的鉑納米顆粒粒徑為1～3nm，所述的催化劑中鉑的負(fù)載量為1～14wt.％，所述的碳載體中氮的摻雜量為0.1～1at.％。

本發(fā)明通過在載體表面進(jìn)行分子修飾來調(diào)控金屬前驅(qū)物在載體上的結(jié)合方式，而后經(jīng)過熱解以實(shí)現(xiàn)金屬顆粒均一生長、在載體上的均勻分布以及與載體表面的穩(wěn)定結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了鉑碳催化劑在堿性析氫反應(yīng)中較高的金屬利用率及催化性能。

本發(fā)明第二個目的是保護(hù)所述的低鉑催化劑的制備方法，包括如下步驟：將碳載體分散于去離子水中，加入氧化劑常溫攪拌反應(yīng)后離心去除上清液，收集離心去除上清液后的沉淀物分散于去離子水中，加入含氮有機(jī)配體分子常溫攪拌離心去除上清液，離心去除上清液后的沉淀物收集后分散于去離子水中，加入含鉑前驅(qū)體攪拌反應(yīng)后進(jìn)行離心收集沉淀物，沉淀物干燥后于惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)峤?，待熱解反?yīng)結(jié)束降至室溫后，即為所述的低鉑催化劑。

本發(fā)明通過對碳載體進(jìn)行表面修飾，可提高鉑前驅(qū)體在碳載體上的均勻穩(wěn)定吸附，經(jīng)過熱解處理后，可實(shí)現(xiàn)氮元素在碳載體表面的均勻摻雜及鉑納米顆粒在表面的原位還原，平均粒徑小，分散性好，為堿性析氫反應(yīng)提供了豐富的活性位點(diǎn)。

優(yōu)選地，上述制備方法具體包括如下步驟：將碳載體分散于去離子水中，加入氧化劑常溫攪拌反應(yīng)1～5小時后離心去除上清液，碳載體與氧化劑的物質(zhì)的量之比為1:1～40:1，收集離心去除上清液后的沉淀物分散于去離子水中，加入含氮有機(jī)配體分子常溫攪拌1～5小時離心去除上清液，碳載體與含氮有機(jī)配體分子的物質(zhì)的量之比為10:1～50:1，離心去除上清液后的沉淀物收集后分散于去離子水中，加入含鉑前驅(qū)體攪拌反應(yīng)5～12小時后后進(jìn)行離心收集沉淀物，含鉑前驅(qū)體與含氮有機(jī)配體分子的物質(zhì)的量之比為1:1～1:40，沉淀物干燥后于惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)峤?.5～2.5小時，熱解溫度為400℃～800℃，待熱解反應(yīng)結(jié)束降至室溫后，即為所述的低鉑催化劑。