[发明专利]多孔碳包覆PdFe/C合金纳米框架的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种多孔碳包覆PdFe/C合金纳米框架的制备方法及应用。该制备方法为：以1‑萘胺(C₁₀H₉N)作为配位剂与PdCl₂形成Pd(II)‑(C₁₀H₇‑NH₂)片状黄色沉淀络合物，再将其置入FeCl₃的水溶液中超声混合，并长时间搅拌以在片状的沉淀表面充分吸附Fe³⁺，将所得Pd(II)/Fe(III)‑(C₁₀H₇‑NH₂)片状黄绿色沉淀置于惰性气氛中高温热处理，即可得到多孔碳包覆的PdFe/C合金纳米框架。本发明制得的碳包覆多孔PdFe/C合金纳米框架具有PdFe合金粒径超细，组成可调，电化学活性及稳定性高，制备流程简单，便于批量生产和环境友好等优点，其作为酸性条件下阴极氧还原催化剂表现出了更高的电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种具有高电化学活性和稳定性的多孔碳包覆PdFe/C合金纳米框架的制备方法，该催化剂适用于酸性电解质中阴极氧还原的高效电催化。

背景技术

能源短缺与环境污染已引起当今社会的高度关注，发展可再生清洁能源发电和电动汽车产业具有重要战略意义。低温聚合物电解质膜燃料电池和金属-空气电池由于具有能量转换效率高、污染小、安全且成本低，有望形成高效、清洁的能源储存和转换系统。氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池中重要的阴极反应。目前，常用的ORR催化剂是贵金属Pt基催化剂，成本约占了燃料电池总成本的50％，严重阻碍了燃料电池和金属-空气电池的商业化。理想的ORR催化剂在0.9V(vs.NHE)的面积比活性需要达到180mA·cm^-2。为了降低催化剂成本，如何合成具有高起始电位、高电流密度以及高稳定性的催化剂成为近年来研究的热点。

Pd与Pt有许多相似的性质(周期表中位于同一族，相同的晶体结构，相近的原子尺寸)，相对于Pt较为廉价，作为高效的氧还原纳米催化剂已经引起了人们极大的兴趣。近年来，研究表明在Pd中加入其他过渡金属如Fe、Co、Ni等会引起Pd-Pd键的收缩，从而改变Pd的电子结构,导致其d带中心下移。该电子结构变化可以使得OH集中吸附在所掺杂的过渡金属上而使Pd-O键的强度得到优化，从而Pd基催化剂催化ORR的性能得以提升。一般来说,这种结构转变需要高温退火(>500℃)才能得以实现,但不可避免地会在高温制备过程中导致纳米粒子的聚集和生长，随之导致催化剂的质量比活性降低。因此，在催化剂的设计和优化过程中，为了防止催化剂在退火过程中发生聚结，尽可能地减小颗粒尺寸，人们付出了巨大的努力。其中一种有效的方法便是在金属粒子表面形成碳壳、氧化壳、无机阻挡层、石墨化空心球等表面防护涂层。然而，保护层的存在会在一定程度上也会阻碍活性位点，降低传质率，从而降低催化性能。因此，需要所包覆的保护壳层足够薄，不足以阻碍活性位点，这是一个十分精细且较难把控的过程。因此，在不影响纳米粒子电催化性能的前提下，探索方便可行的保护壳层的策略来防止纳米粒子团聚的研究是十分必要的。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种多孔碳包覆PdFe/C合金纳米框架的制备方法，以及该方法制得的催化剂在酸性电解质中阴极氧还原电催化方面的应用。本发明通过高温碳化预先生成的表面吸附Fe(III)的黄绿色片状Pd(II)Fe(III)-萘胺络合物，制备得到超薄碳层包覆的超细且PdFe合金纳米粒子均匀分散的多孔PdFe/C框架结构，既有效地提升了催化剂的催化活性也赋予了催化剂极高的结构稳定性。

技术方案：本发明的一种多孔碳包覆PdFe/C合金纳米框架的制备方法采用如下技术方案：