[发明专利]一种铂碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，在该铂碳催化剂的XPS分析的Nsubgt;1s/subgt;谱峰中，除399ev～400.5ev之间有特征峰外，在395ev～405ev之间没有其他的特征峰。本发明的铂碳催化剂在用于氧还原反应时，具有更高的质量比活性及其稳定性。

技术领域

本发明涉及一种铂碳催化剂及其制备方法和应用，具体地说，是一种氮掺杂的铂碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将化学能以电化学反应方式转变为电能的发电装置，被认为最有希望大规模替代现有能源技术。氢燃料电池是目前主流的燃料电池技术，而催化剂和质子交换膜又是氢燃料电池技术的核心。在氢燃料电池的发展中，制造高效低成本的电极催化剂，特别是阴极氧还原电极催化剂，一直是科学研究的热门课题。

氮元素能以多种结构形式掺杂碳材料，比如以吡啶氮、石墨氮、吡咯氮、氧化氮等形式，掺杂的形式不同，碳材料的性质也不同。关于氮掺杂碳材料用作碱性燃料电池催化剂的报道较多，但距离工业应用较远。迄今为止，未见有吡咯氮对催化剂性能有影响的文献报道，更未见吡咯氮对铂碳催化剂有影响的文献报道。

铂碳催化剂是目前最成熟的氢燃料电池催化剂，但铂的价格昂贵，催化活性、稳定性还不理想。影响铂碳催化剂催化活性和稳定性的因素很多且复杂，一些文献认为，铂碳催化剂的质量比活性、稳定性与铂的粒径、形貌、结构，以及载体的种类、性质和铂载量有关。现有技术主要是通过控制铂的粒径、形貌、结构以及载体的比表面积、孔结构来改进铂碳催化剂的性能；也有文献报道在碳表面连上修饰基团，通过对碳载体改性来提高铂碳催化剂的性能。

提高载铂量有利于制造更薄、性能更好的膜电极，但在现有技术中，大幅度提高载铂量会导致以单位质量铂计的催化性能显著降低。

实际应用的氢燃料电池铂碳催化剂的铂载量至少在20wt％以上，比化工用铂碳催化剂(一般铂载量低于5wt％)的制造难度大很多。化学还原法是常用的铂碳催化剂的制造方法，优点是工艺简单，缺点是铂的利用率低，催化活性较低。其原因可能是碳载体孔结构不规则导致铂纳米颗粒分散不均匀。

前述背景技术部分所公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，它可以包括不属于本领域普通技术人员已知的信息。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种铂碳催化剂，该催化剂的质量比活性和其稳定性均优于商业催化剂。本发明的目的之二是，在目的一的基础上，提供一种更高载铂量的铂碳催化剂。本发明的目的之三是改进制造铂碳催化剂的水相化学还原法，提高氢燃料电池铂碳催化剂的质量比活性和其稳定性。

为了实现前述目的，本发明提供了如下的技术方案。

1、一种铂碳催化剂，其特征在于，在其XPS分析的N_1s谱峰中，除399ev～400.5ev之间有特征峰外，在395ev～405ev之间没有其他的特征峰。

2、按照前述任一的铂碳催化剂，其特征在于，以催化剂的质量为基准，铂的质量分数为0.1％～80％，优选为20％～70％，更优选为40％～70％。

3、按照前述任一的铂碳催化剂，其特征在于，所述铂碳催化剂的电阻率10Ω·m，优选2Ω·m。

4、按照前述任一的铂碳催化剂，其特征在于，所述铂碳催化剂的比表面80m²/g～1500m²/g，优选为100m²/g～200m²/g。

5、按照前述任一的铂碳催化剂，其特征在于，所述铂碳催化剂的载体为氮掺杂导电炭黑、氮掺杂石墨烯或氮掺杂碳纳米管。