[发明专利]一种氮掺杂碳载铂基催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种氮掺杂碳载铂基催化剂及其制备方法和用途。所述制备方法包括：(1)将聚合物溶液进行静电纺丝，制备碳材料前驱体；(2)将步骤(1)中得到的碳材料前驱体，在含氮气氛中进行热处理，得到氮掺杂碳材料；(3)将步骤(2)中得到的氮掺杂碳材料与铂的前驱体溶液混合，依次加入第一还原剂和第二还原剂进行一次还原和二次还原，分离，烘干，得到所述的氮掺杂碳载铂基催化剂；其中，所述第一还原剂的还原性第二还原剂的还原性。所述催化剂在耐久性试验中，30000圈加速耐久后催化性能几乎无衰减。所述制备方法不仅提高催化剂稳定性、耐久性和催化活性，还降低铂的用量，减少生产成本，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及新能源燃料电池领域，具体涉及一种氮掺杂碳载铂基催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有能量转换效率高、低温快速启动、低噪音、无污染等特点，被认为十分适合作为绿色新能源汽车的动力能源。质子交换膜燃料电池由催化剂、质子膜、气体扩散层及双极板组成。其原理为氢气在阳极分离出质子和电子，质子经过质子交换膜到阴极，而电子则通过外电路到达阴极，当电子到达阴极时，与质子以及通入的O₂在阴极催化剂的作用下结合而生成水，具体电极反应：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应式为：H₂+1/2O₂→H₂O

由于燃料电池加入的氢气，排出的是水，因此燃料电池技术被认为是新能源发展的终极目标。然而，因燃料电池工作的环境温度为40-95℃，因此，需要采用高活性的贵金属Pt作为催化剂。但由于Pt金属存储量少、价格昂贵、易毒化等特点，因此开发高活性、高耐久低铂催化剂是目前研究重点。

CN1803292A提供用于燃料电池的碳载铂基催化剂的制备方法，步骤是将金属盐前驱体与络合剂、醇类还原剂一起加入到有机溶剂中，在室温下搅拌；加入碱性物质，调节pH值，在常压下通氮气保护加热回流，或者在高压釜中反应；加入碳载体，在室温下搅拌，使金属溶胶粒子均匀的分散在碳载体上；加入酸性物质，调节pH值，加入二次蒸馏水，超声震荡破胶；抽滤，滤饼洗涤至不能检测出Cl^-离子，真空下干燥，冷却，研磨后得到本用于燃料电池的碳载铂基催化剂，包括Pt/C、Pt-Ru/C、Pt-Ru-Ir/C、Pt/CNT、Pt-Ru/CNTh和Pt-Ru-Ir/CNT。本方法工艺简单，回收率高，催化剂活性组分颗粒度小至1nm左右，分布均匀，贵金属利用率高，催化剂的电化学活性表面积、催化活性和抗毒性能高，但是该发明使用贵金属盐和络合剂，增加了生产的成本。

CN108963282A公开了一种溶剂热法制备燃料电池碳载铂基催化剂的方法，应用于质子交换膜燃料电池，包括氢氧燃料电池和直接醇类燃料电池阴极反应中，属于电化学催化反应领域。本发明使用溶剂热法还原处理，将载体碳材料充分分散在溶剂中，在搅拌下加入金属前驱体溶液，活性组分的质量百分含量在制得的催化剂中达到20wt％至60wt％，并用碱性溶液调节溶液的pH值至9以上，然后将混合液在高温高压的密封反应容器中发生反应。反应后用酸性溶液调节pH值低于5，反应液经过滤、洗涤、干燥并研磨后得到碳载铂基电催化剂。本发明所制得的催化剂活性组分粒径小，且高度均匀分散在碳载体上，具有较高的活性。本发明的制备工艺操作简单、反应快速、耗能较少、成本低廉，易于实现大批量工业化生产，但是所述方法制备的催化剂形貌不均匀，对其催化活性和耐久性有不利的影响。