[发明专利]一种磷镍钯共掺杂碳基复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于新能源材料技术领域，本发明涉及一种磷镍钯共掺杂碳基复合催化剂及其制备方法和应用，其制备过程包括利用金属盐和丁二酮肟反应，所述金属盐为二价镍盐或亚钯酸盐，制备得到前体为丁二酮肟合镍、丁二酮肟合钯或钯掺杂的丁二酮肟合镍中的一种，次亚磷酸钠分解生成磷化氢和磷酸盐，磷化氢与前体直接发生化学反应，将所得的产物利用酸进行浸泡得到磷镍钯共掺杂的碳基复合催化剂。所得催化剂具有良好的催化性能，在电催化过程中能够发挥更好的作用，而且磷镍钯三种掺杂共同作用，相比于镍磷掺杂、钯磷掺杂效果更好。在ORR电催化过程中的阴极氧还原反应中电子转移数较高，过氧化氢的产率较低，催化剂的稳定性较好，抗甲醇性能更优。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及以丁二酮肟合镍/钯为前驱体的磷镍钯共掺杂的碳基复合非铂催化剂，还涉及所述催化剂的制备方法及其在碱性电解质中电催化氧还原反应的应用

背景技术

随着世界能源危机愈发严峻，开发清洁、高效、可持续的能源成为迫在眉睫的任务。近年来，燃料电池因其效率高，环境友好等优点，逐渐显出它的重要性。用于催化燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的Pt催化剂价格昂贵，储量有限，所以很难进行大规模的商业化应用。因此，要想提高燃料电池的竞争力，首先要降低其成本。制备成本低廉和性能优异的ORR催化剂材料为目标，探索快速、高效、简便的方法来制备杂原子掺杂的非贵金属催化材料成为一种切实可行的方法。

ORR是发生在燃料电池阴极至关重要的反应过程，碱性介质中的ORR历程根据反应产物不同，可分为“两电子”和“四电子”路径。对于“两电子”反应而言，溶液中的氧气(O₂)被还原成双氧水(H₂O₂)，其标准可逆电极电势为-0.065V；但是，在“四电子”反应过程中，O₂可被充分还原，生成OH^-，其标准电极电势为0.401V。从反应产物来看，“四电子”路径代表ORR反应过程更加有效。因此，性能优异的催化剂应该满足“四电子”的反应路径。

自从早期质子交换膜燃料电池发展起来之后，贵金属Pt作为常用的燃料电池阴极催化剂，具有较高的活性和稳定性，且一直都是作为衡量所有ORR催化剂活性高低的标准。由于Pt资源稀缺且价格昂贵，所以研究者们一直致力于降低Pt用量甚至寻找非Pt催化剂。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种磷镍钯共掺杂碳基复合催化剂的制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种磷镍钯共掺杂碳基复合催化剂的制备方法，其制备过程包括利用金属盐和丁二酮肟反应，所述金属盐为二价镍盐或亚钯酸盐，制备得到前体为丁二酮肟合镍、丁二酮肟合钯或钯掺杂的丁二酮肟合镍中的一种，次亚磷酸钠分解生成磷化氢和磷酸盐，磷化氢与前体直接发生化学反应，将所得的产物利用酸进行浸泡得到磷镍钯共掺杂的碳基复合催化剂。

优选的，所述二价镍盐为硫酸镍、硝酸镍、氯化镍、乙酸镍中的一种。

优选的，所述磷酸盐为次亚磷酸钠、次亚磷酸钾中的一种。

优选的，所述亚钯酸盐为四氯钯酸钾、四氯钯酸钠、硝酸钯、硫酸钯中的一种。

次亚磷酸钠用途广泛，廉价易得，是一种强还原剂，在高温下受热分解会原位生成磷化氢气体和磷酸盐，生成的磷化氢气体可以作为磷源，与丁二酮肟镍/钯发生化学反应。

本申请先利用丁二酮肟和镍盐、亚钯酸盐制备得到钯掺杂的丁二酮肟合镍，然后丁二酮肟合镍再与磷酸盐发生化学反应得到磷镍钯共掺杂的碳基复合催化剂，所得催化剂具有良好的催化性能，在电催化过程中能够发挥更好的作用，而且磷镍钯三种掺杂共同作用，相比于镍磷掺杂、钯磷掺杂的催化性能更好。

一种磷镍钯共掺杂碳基复合催化剂的制备方法，具体步骤为：