[发明专利]一种硫掺杂的导电炭黑载体及其制备方法和硫掺杂的导电炭黑负载的铂基催化剂及其应用

说明书

本发明提供一种硫掺杂的导电炭黑载体及其制备方法和硫掺杂的导电炭黑负载的铂基催化剂及其应用，硫掺杂的导电炭黑载体由以下原料热解制得：原料包括质量比为0.1～3:0.1～3:0.1～3的含硫有机分子、导电炭黑和过渡金属盐。载体在过渡金属盐的存在下，采用含硫有机分子对导电炭黑进行改性制得，载体在制备铂基催化剂时，能够有效抑制铂基颗粒的尺寸，抑制其在稳定性测试中的生长，能够较好负载铂颗粒。铂基催化剂具有优异的稳定性和催化氧化还原活性，优于商业Pt/C。透射电镜显示铂纳米颗粒均匀分散在载体上；900℃下载体依旧可以有效负载并限制铂纳米颗粒的尺寸；CV显示铂的电化学活性面积只出现轻微下降。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种硫掺杂的导电炭黑载体及其制备方法和硫掺杂的导电炭黑负载的铂基催化剂及其应用。

背景技术

由于化石燃料的日益消耗以及环境污染问题的加剧，可再生氢能源的有效利用愈发重要。燃料电池作为一种绿色，高效的能源存储与转化装置有望代替内燃机，广泛运用于移动与固定设备的能源供给。目前燃料电池的商业化主要受限于其缓慢的阴极氧还原(ORR)反应。尽管非贵金属催化剂展现出较良好的催化氧还原的性能，其活性与稳定性依旧逊于铂基催化剂。然而由于铂的稀缺与昂贵，进一步提升铂基催化剂的活性与在燃料电池中的稳定性则显得至关重要。

目前，提高铂基催化剂的利用率主要是通过：1.控制铂基纳米颗粒，比如通过改变油相合成的条件得到不同尺寸的铂基纳米颗粒，但是油相合成方法复杂，价格昂贵，难以大规模制备，几乎不可能实际生产；2.铂的合金化来提高其本征活性，比如将Pt与Fe，Co，Ni等形成合金。提高铂基催化剂的稳定性主要通过：1.利用化学方法或者ALD技术在铂纳米颗粒附近包裹导电聚合物或者氧化物，但是此类方法操作复杂，难以有效调控，难以大规模制备；2. 利用化合物载体来增强铂与载体之间的相互作用以抑制其失活，但是氧化物载体导电性较差，不适合在燃料电池中工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硫掺杂的导电炭黑载体及其制备方法和硫掺杂的导电炭黑负载的铂基催化剂及其应用，该硫掺杂的导电炭黑载体能够较好的负载铂颗粒。

本发明提供了一种硫掺杂的导电炭黑载体，由以下原料热解制得：

所述原料包括质量比为0.1～3:0.1～3:0.1～3的含硫有机分子、导电炭黑和过渡金属盐。

优选地，所述含硫有机分子选自5,5’-二溴-2,2’-联二噻吩、2,2’-联二噻吩、 3,3’-联二噻吩和聚噻吩中的一种或多种；

所述导电炭黑选自Vulcan XC-72、BP2000、Ketjenblack EC-300J和 KetjenblackEC-600J中的一种或多种；

所述过渡金属盐选自Co(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O和Ni(NO₃)₂·6H₂O 中的一种或多种。

本发明提供了一种上述技术方案所述导电炭黑载体的制备方法，包括以下步骤：

将含硫有机分子、导电炭黑和过渡金属盐混合均匀后进行热解，得到碳材料；

将所述碳材料刻蚀掉残留的过渡金属盐，洗涤至中性，得到硫掺杂的导电炭黑载体。

优选地，所述热解的温度为600～1200℃，热解的时间为1～4h。

优选地，所述碳材料刻蚀掉残留的过渡金属的过程包括：

将所述碳材料和硫酸溶液在60～90℃下混合6～10h，刻蚀掉残留的过渡金属盐。