[发明专利]一种碳基铂铁合金材料及其应用

说明书

本发明提供了一种碳基铂铁合金材料的制备方法，其首先利用造孔模板制备了高比表面积的多孔卟啉/铁卟啉材料，大的比表面积能有效提升活性位点的暴露面积，也有利于吡咯单体在多孔卟啉/铁卟啉材料中的吸附及随后的氯铂酸根引发吡咯聚合；在多孔卟啉/铁卟啉材料吸附吡咯聚合后再进行热解，卟啉的配位作用和聚吡咯的保护作用可避免金属活性位点的过度烧结团聚，最终得到了铂铁合金纳米粒子均匀负载的多孔碳基材料。本发明的氧还原催化剂表现出高效的氧还原电化学性能，作为氧还原催化剂在饱和O₂的0.5M H₂SO₄电解质溶液下具有优异的氧还原电催化活性(半波电位为0.83V)及稳定性。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，尤其涉及一种碳基铂铁合金材料及其应用。

背景技术

随着全球人口的快速增长、工业化的不断扩大、能源需求的疯狂上涨以及正在发生的气候变化，未来的能源安全性和基本保障是我们必须要面对的问题。根据国际能源机构的数据，2013年全球能源需求达到18TW，其中约80％来自化石资源(煤，石油和天然气)。全球能源需求预计将从2013年的18TW增加到2040年的24～26TW，相应的二氧化碳排放量从2013年的32Gt/年到2040年的37～44Gt/年。因此为了缓解能源和环境问题，寻找低碳、清洁、低成本、高效能的能源转型就显得异常重要，其中燃料电池和金属空气电池显示出巨大的潜力。

燃料电池是一种直接转移化学能量的燃料电解装置，它与传统电池的不同之处在于：只要连续供应燃料，燃料电池就会发电，因为它不受卡诺循环的限制，能量转换效率可以达到40～60％，是内燃机的1.5～2倍，并且它也是环境友好型(排放CO₂或水)，因此，它被认为是最有前途的清洁和有效的发电技术。在燃料电池装置中，燃料(例如氢气，甲醇，乙醇或甲酸)在阳极与氧气反应，而氧气分子在阴极处被还原为水分子，然而，由于其高过电位，氧还原反应(ORR)速率比阳极反应约慢5个数量级。氧还原反应(ORR)是这类体系中的关键阴极反应，由于比阳极中更高的过电位，阴极ORR的缓慢动力学限制了这些装置的广泛商业化。

目前，只有最先进的铂/碳催化剂(Pt/C)广泛应用于质子交换膜(PEM)燃料电池中。然而，燃料电池的Pt使用量仍偏高，燃料电池汽车的Pt使用高达30g/辆，距离家用轿车Pt使用量水平(5g/辆)仍有巨大差距。Pt催化剂的成本仍占燃料电池系统成本的35％，且商业Pt/C催化剂的稳定性仍然偏低，不能满足燃料电池广泛应用的要求。

降低燃料电池催化剂的Pt使用量，寻找更加廉价的催化材料部分替代Pt，减少对Pt资源的依赖以及催化剂成本，一直是燃料电池技术的研究热点，也是促进燃料电池广泛使用必须突破的关键技术。尤其是目前最接近商业化的氢燃料电池，作为交通运输动力电源，其工作环境苛刻(高电势、强酸、频繁启停等)，这要求用于燃料电池的催化材料满足一定催化活性的同时必须具备强劲的稳定性，以保证燃料电池正常运行和所需的使用寿命。采用相对廉价的过渡金属与Pt混溶在一起形成合金，不仅可以有效降低催化剂的Pt使用量，提高催化剂的Pt利用率，更能通过非Pt金属对Pt进行电子作用的影响，调整Pt的原有电子结构，从而改变Pt基催化剂的催化活性。对于Pt合金催化剂，其提高的催化活性主要来源于过渡金属的调控作用，主要的解释包括：1)加入过渡金属后因其的压缩应变使催化剂的Pt-Pt键变短，有利于氧的解离吸附；2)过渡金属被酸溶解后，导致Pt表面粗糙度增加，增加了Pt的活性位点；3)压缩应变和配位作用引起Pt的d带中心负移，从而降低中间产物的吸附能力，提高催化活性。但是碳基Pt合金催化剂在热解制备过程中金属颗粒团聚现象严重，得到的催化剂氧还原催化活性低以及稳定性差。

发明内容

本发明解决的技术问题在于一种高催化活性和高稳定性的碳基铂铁合金材料的制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种碳基铂铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：