[发明专利]一种高性能氮掺杂多孔碳负载PtNi合金颗粒甲醇燃料电池催化剂的制备方法

说明书

本发明为一种高性能氮掺杂多孔碳负载PtNi合金颗粒甲醇燃料电池催化剂的制备方法。该方法利用废弃的烟蒂滤芯作为碳源以及氮源，一步生成氮掺杂的多孔碳材料；将非贵金属Ni与贵金属Pt形成合金颗粒负载在氮掺杂多孔碳材料上形成催化剂。本发明提供一种简单的氮掺杂多孔碳负载PtNi二元合金（PtNi/N‑HPC）催化剂的制备方法，改善单一Pt基催化剂的CO中毒缺点。

技术领域:

本发明技术方案涉及一种甲醇燃料电池催化剂制备，具体说是一种氮掺杂多孔碳负载PtNi二元合金催化剂的制备方法。

背景技术:

随着传统能源日益枯竭，如何利用有限资源开发出高效清洁能源成为当今社会大家关注的共同问题。燃料电池作为一种将化学能直接转化为电能装置，具有能量转化效率高，环境友好，转化过程中不受卡诺循环影响等优点而得到人们的广泛关注。其中直接甲醇燃料电池使用甲醇作为燃料，具有燃料来源丰富，价格低廉，能量密度高，环境友好无污染等优点，在未来将具有广阔的应用前景。

虽然直接甲醇燃料电池近年来的研究取得了很大的进展，但仍然存在很多问题限制甲醇燃料电池的商业化。催化剂是其关键技术之一。目前，最有效的催化剂仍然是碳载Pt催化剂，然而其昂贵的价格以及较差的稳定性制约着其商业化进程。为解决这个问题通常引入其他过渡金属元素作为助催化剂，引入其他元素不仅可以降低催化剂成本，还可以通过双功能和电子调变机理提高Pt的抗中毒能力。为提高催化剂的稳定性和分散性，具有独特的化学稳定性、良好的导电能力、高的比表面积的多孔碳材料成为关注的重点。多孔碳材料因具有大量相互连接的孔洞结构，保证了反应物的快速扩散；良好的导电性有利于电子的扩散；较大的比表面积不仅能提供丰富的表面催化位点，还有利于提高纳米粒子的分散性。

随着研究的深入，通常将杂原子掺杂进碳材料增强碳材料性能。氮是众多碳掺杂材料中的理想元素，氮元素在元素周期表中与碳元素临位，原子半径接近，在掺杂过程可以尽可能小的引起晶格畸变，氮原子上的弧对电子可以起到载流子的作用，增加碳材料的电荷密度，形成n型半导体，增加碳材料的导电性。氮元素的电负性远大于碳，碳材料掺杂氮元素后会带正电而易于纳米颗粒的沉积；氮掺杂碳材料还可以促进氧气的吸附和中间过氧化物的分解；改善与电解液的润湿性；提高材料导电性并增强了载体与金属催化剂的相互作用，提高纳米颗粒的分散性与稳定。

发明内容:

本发明针对现在甲醇燃料电池高性能碳载体材料制备成本高，工艺复杂，产出低等缺点，提供一种制备方法简单，性能优良的氮掺杂碳材料的制备方法。该方法利用废弃的烟蒂滤芯作为碳源以及氮源，一步生成氮掺杂的多孔碳材料；将非贵金属Ni与贵金属Pt形成合金颗粒负载在氮掺杂多孔碳材料上形成催化剂。本发明提供一种简单的氮掺杂多孔碳负载PtNi二元合金(PtNi/N-HPC)催化剂的制备方法，改善单一Pt基催化剂的CO中毒缺点。

本发明的技术方案为：

一种高性能氮掺杂多孔碳负载PtNi合金颗粒甲醇燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一:将废弃烟蒂放入香料粉碎机，制成蓬松状的滤芯，滤芯振实密度为0.01-0.02g/cm³；

步骤二:向不锈钢反应釜中加入上步得到的滤芯和水，密闭后以1～5℃/min速率下升温至250℃-300℃，保温1-2h；然后以1～5℃/min冷却至室温；然后在110～115℃干燥，得到碳质物质；其中，滤芯和去离子水的质量比为1-5:10；

步骤三:将上步所得碳质物质和KOH混合后研磨，然后放入氧化铝瓷舟，在氮气保护下以1～3℃/min加热至600～800℃，保温0.5～2h，然后在氮气保护下冷却，得到碳材料；其中，质量比为KOH：碳质物质＝2-4:1。

步骤四:所获得的碳材料浸没在HCl溶液中，搅拌1～3h，然后然后用去离子水清洗直至PH为中性；将获得的产品在烘箱内110～115℃下烘干，得到碳材料；其中，盐酸的浓度为1-2mol L^-1；