[发明专利]负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂、其制法及应用

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种负载铂的氮磷共掺杂碳材料的析氢复合催化剂、其制备方法以及在析氢反应中的应用，属于电化学析氢催化剂技术领域。

背景技术

当今由于化石燃料的过度使用以及对环境造成的污染，已经引起了人们对可再生能源的广泛关注。氢气由于具有高能量密度和环境零污染被认为是在可再生能源应用中一个极具有前景的化学燃料。电解水是一种高效的产氢方法，但该种方法主要依赖于阴极催化剂。贵金属铂是至今最好的析氢催化剂，但由于铂有限的储量和昂贵的价格限制了其大规模的商业应用。近年来，业界研发人员陆续发展了很多非贵金属基析氢催化剂，但是他们的催化性能仍远差于铂。减少铂的纳米颗粒的尺寸是一种有效的提高原子利用率的方法。目前，固定铂纳米颗粒在高比表面积的基底上来达到对尺寸的控制和防止团聚引起了人们的广泛关注。碳材料由于具有高导电性和化学稳定性被认为是一个理想的电催化基底，但是在减少铂的用量的前提下依然具有优异的电催化性能依然是一个挑战。因此，开发一种低载铂量、高催化活性和高循环稳定性催化剂具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂、其制备方法以及应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂的制备方法，其包括：

于保护性气氛中高温煅烧主要由含磷前驱体与含氮聚合物单体反应形成的含氮聚合物，得到氮磷共掺杂的碳材料；

将所述氮磷共掺杂的碳材料与铂源在溶剂中均匀混合，并加入还原剂，制得负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂。

本发明实施例还提供了前述负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂于析氢电催化领域的应用。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

1.本发明的负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂的制备方法易于操作，简单可靠，且成本低廉，易于实现大规模生产；

2.本发明的负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂具有非常优异的电催化活性和稳定性，在电化学析氢领域具有巨大的应用前景。

附图说明

图1a-图1b分别为本发明实施例1中所制备的氮磷共掺杂碳材料的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片；

图2为本发明实施例1中所制备负载铂的氮磷共掺杂碳催化剂的高角环形暗场像扫描电子显微镜照片。

图3为本发明实施例1中所制备的负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂的碳、氮、磷和铂的元素分布照片；

图4为本发明实施例1中所制备的负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂(Pt/NPC)和商业铂碳催化剂(20％Pt/C(Alfa))的析氢电催化性能极化曲线图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供的一种负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂的制备方法，其包括：

于保护性气氛中高温煅烧主要由含磷前驱体与含氮聚合物单体反应形成的含氮聚合物，得到氮磷共掺杂的碳材料；

将所述氮磷共掺杂的碳材料与铂源在溶剂中均匀混合，并加入还原剂，制得负载铂的氮磷共掺杂碳材料析氢催化剂。

在一些较佳实施方案中，所述的制备方法包括：在温度为0～4℃的条件下将含磷前驱体、含氮聚合物单体以及引发剂于溶剂中快速混合，并将混合液静置过夜，之后以去离子水充分洗涤，再冻干，其后在氮气氛围中以1～20℃/min的速率升温至600～1000℃煅烧0.5～12h，之后冷却至室温，获得氮磷共掺杂的碳材料。

其中，所述含氮聚合物单体包括吡咯、苯胺、噻吩中的任意一种或两种以上的组合，但并不限于此。

其中，所述含磷前驱体包括植酸，D-肌醇-1,3,4,5-四磷酸，但并不限于此。

其中，所述引发剂包括过硫酸铵，但并不限于此。

其中，所述溶剂包括水，但并不限于此。

较为优选的，所述含磷前驱体与含氮聚合物单体的摩尔比为1：1～15，更优选为1：1～7。