[發明專利]一種載體及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310796612.5
• 申請日: 2023-06-30
• 公開（公告）號: CN116588917A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 范書瓊;周有明;李承亮;仲小麗
• 申請（專利權）人: 蘇州擎動動力科技有限公司
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;C01B32/05;H01M4/92;H01M4/88;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 呂露

一種載體及其制備方法和應用，屬于催化劑制備技術領域；方法包括：把碳源和氮源分散于溶劑中，得到混合溶液；對混合溶液進行微波處理和水熱處理，得到摻N碳量子點清液；把摻N碳量子點清液中的摻N碳量子點修飾到載體本體，得到載體；通過采用微波處理配合水熱處理的方式來制備摻N碳量子點，可較好的控制摻N碳量子點的成核點和摻N碳量子點的尺寸，并將該摻N碳量子點修飾到載體本體上形成載體，催化活性物質會沉積在未被摻N碳量子點占據的其它載體位點或摻N碳量子點上，有效減小了催化活性物質顆粒間的空間位阻，提高催化活性物質的活性位點的利用率。同時，載體上引入摻N碳量子點導致催化活性物質結合能增加，催化活性得以提升。

技術領域

本申請涉及催化劑制備技術領域，具體而言，涉及一種載體及其制備方法和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于其零排放和高能源效率，是最環保的發電設備之一。PEMFC是一種電化學轉換裝置，它將燃料和氧化劑轉化為電化學反應的電能，氫氧化反應(HOR)發生在陽極，而氧還原反應(ORR)發生在燃料電池的陰極。其中，陰、陽極催化劑是PEMFC的核心材料，因此，提高陰、陽極催化劑的活性以及穩定性是其發展的關鍵。

載體材料對提高PEMFC電催化劑的活性和穩定性具有重要的影響。首先是對催化劑活性的影響。目前應用最廣泛的載體是傳統的Vulcan?XC-72，但由于該種碳材料在燃料電池工作環境下易腐蝕，使金屬粒子容易發生團聚、遷移現象，造成活性的顯著下降。其次，載體對催化劑的穩定性也有影響。增強載體與活性粒子之間結合力，可以有效的防止金屬粒子的遷移團聚。因此，催化劑載體的改進，是提高催化劑活性和穩定性的有效途徑之一。

催化劑載體的改進可以從以下兩個方面著手，一是采用新型碳材料抑制載體的腐蝕，如介孔碳、碳納米管、石墨烯以及碳納米纖維等。它們具有比表面積大、導電性好以及催化效率高等優點，有利于降低催化劑的載量以及整個電池的成本。二是采用新型的載體材料，如氮化物(TiN、BN)、碳化物(WC、TiC)、無機金屬氧化物(SnO₂、CeO₂)以及導電聚合物等。它們可以增強金屬載體相互作用、提高催化劑的耐腐蝕性等。然而，它們在比表面積方面還不太理想，均低于現有的載體材料。

有人提出了采用碳量子點來修飾載體的方法來解決上述問題，但采用該載體的催化劑的ORR活性仍有待改進。

發明內容

本申請提供了一種載體及其制備方法和應用，其能夠提高催化劑的ORR活性。

第一方面，本申請實施例提供了一種載體的制備方法，所述方法包括：

把碳源和氮源分散于溶劑中，得到混合溶液；

對所述混合溶液進行微波處理和水熱處理，得到摻N碳量子點清液；

把所述摻N碳量子點清液中的摻N碳量子點修飾到載體本體，得到載體。

在上述實施過程中，通過采用微波處理配合水熱處理的方式來制備摻N碳量子點，可較好的控制摻N碳量子點的成核點和摻N碳量子點的尺寸，并將該摻N碳量子點修飾到載體本體上形成載體，使得載體上的摻N碳量子點的粒徑較為均一，該載體在負載催化活性物質時，催化活性物質會沉積在未被摻N碳量子點占據的其它載體位點或摻N碳量子點上，有效減小了催化活性物質顆粒間的空間位阻，提高催化活性物質的活性位點的利用率。同時，載體上引入摻N碳量子點增強了載體本身的電負性，導致催化活性物質結合能增加，催化活性得以提升。

作為一種可選的實施方式，載體的摻N碳量子點的粒徑為2～5nm。

在上述實施過程中，通過控制載體上摻N碳量子點的粒徑為2～5nm，更有利于其施用作為催化劑后的催化活性。

作為一種可選的實施方式，所述碳源和所述氮源的質量比為0.5～3。