[發明專利]一種雜原子摻雜碳納米角負載鉑的方法、催化劑及其應用

在審

• 申請號: 202210233119.8
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114558604A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 梁風;解志鵬;張達
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J27/13;B01J35/02;B01J37/34;B01J37/02
• 代理公司: 成都中璽知識產權代理有限公司 51233
• 代理人: 潘銀虎

本發明提供了一種雜原子摻雜碳納米角負載鉑的方法、催化劑及其應用。所述負載鉑的方法包括步驟：將雜元素物質與石墨粉以質量比為1:3～10:1混合預定時間，得到雜原子前驅體；將雜原子前軀體置入帶孔的石墨棒中并壓實，將石墨棒干燥預定時間，得到等離子體陽極；以純石墨棒為陰極，與等離子體陽極豎直相對放置在電弧爐中，將電弧爐抽真空后，充入緩沖氣體并啟動電弧，反應預定時間段，得到雜原子摻雜碳納米角；將雜原子摻雜碳納米角分散于還原性溶液中，加入鉑鹽攪拌均勻，加熱并攪拌進行還原反應，離心、洗滌、干燥后，得到低鉑負載催化劑。本發明具有能夠將雜原子摻雜的碳納米材料作為載體，實現制備高活性燃料電池用鉑催化劑等優點。

技術領域

本發明涉及催化材料制備技術領域，具體地，涉及一種雜原子摻雜碳納米角負載鉑的方法、催化劑及其應用。

背景技術

燃料電池因其具有能量轉化效率高(40％～60％)、噪音小、綠色環保、可持續工作、功率密度高、輸出穩定以及操作安全等優點，受到了世界范圍內的廣泛關注。近年來，甲酸常溫下處于液態，冰點低且無毒，不易燃燒，適用于低溫工作，且相對安全，相較于傳統甲醇燃料更具優勢。另外，甲酸是良好的電解質，電離后有利于電荷傳導，接觸電阻小，開路電壓高于甲醇。并且可在較高的濃度下工作，實際工作的能量密度要高于直接甲醇燃料電池，相應的陰極中毒現象也不明顯；另外，甲酸燃料電池的理論開路電位為1.45V，比甲醇高。目前，直接甲酸燃料電池催化劑主要集中在Pt基二元或多元催化劑。在一定范圍內，催化效果隨著Pt的含量的增加而提升，但是鉑屬于貴金屬，鉑含量的增加大大提高了催化劑的生產成本。同時，由于Pt在催化過程中易發生團聚，導致催化能力大大降低。因此為緩解這一現象，人們致力于將Pt納米顆粒負載在載體上，增強其穩定性。目前市場上大規模使用的燃料電池催化劑仍然以商業Pt/C催化劑為主。這種催化劑以活性炭為載體，無法有效避免鉑納米粒子的團聚。同時滿足合適燃料電池催化劑的鉑的負載量也偏大，成本偏高。

自1960年代以來，摻雜有雜原子，如氧(O)、氮(N)、硫(S)、磷(P)，硼(B)和氟(F)等，在能量存儲和轉換方面引起了更多關注。由于這些摻雜元素的尺寸和電負性與碳不同，摻雜的碳材料會發生結構變形和電荷密度變化。此外，摻雜雜原子的類型、摻雜量和摻雜的復雜性對于碳材料在能量存儲和轉換中的整體性能具有重要意義。

迄今為止，雜原子摻雜一直是研究熱點，并已廣泛應用于電池、SCs和ORR。例如，氮摻雜會在結構中產生更多缺陷和活性位點，并增強其電子導電性，這有利于提高電池性能，它還提高了表面潤濕性，這有利于提高SCs的性能；硫摻雜中硫參與了轉化反應，大大提高了材料的電池性能和電容。另外，硫的引入增加了材料的層間距，有利于離子的存儲；硼原子的原子大小與碳原子接近，硼原子被摻雜到碳骨架中不影響碳的整體結構，由于硼具有獨特的3個價電子，硼摻雜碳材料具有較高的電子電導率和離子吸附容量，這對SCs和ORR都有利。因此，對碳納米材料進行雜原子摻雜是獲得高性能鉑催化劑載體的一種有效途徑。

目前，對碳材料進行雜原子摻雜的方法主要有兩種，一種是將雜原子化合物在惰性氣氛中進行熱處理，該類方法較難獲得獨特結構的雜原子摻雜碳納米角負載鉑，另一種是利用雜原子源對碳材料進行后處理，該方法處理步驟較為繁瑣且雜原子摻雜量較低。

因此，有必要設計一種雜原子摻雜碳納米角負載鉑催化劑的方法，該方法可以實現對一種或多種雜原子的原位摻雜，從技術上解決了上述兩種方法的技術難題，同時將雜原子摻雜的碳納米材料作為載體，實現了高活性燃料電池用鉑催化劑。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的一個或多個問題。例如，本發明的目的之一在于提供一種可實現雜原子原位摻雜、多種元素同時摻雜、避免鉑納米顆粒團聚、工藝簡單、成本低廉的雜原子摻雜碳納米角負載鉑的方法、催化劑及其應用。

為了實現上述目的，本發明一方面提供了一種雜原子摻雜碳納米角負載鉑的方法，所述負載鉑的方法包括步驟：