[发明专利]一种铂碳催化剂的碳包覆方法

说明书

本发明提供了一种商业燃料电池用铂碳催化剂的碳包覆方法，该种碳包覆铂碳催化剂由于表面碳层的存在，能够有效提升铂碳催化剂的循环稳定性，碳包覆方法简单，适于批量生产，同时碳包覆后的铂碳催化剂仍能表现出优异的氧还原催化性能。本发明首先使用一定量的油胺、油酸与铂碳催化剂共混，通过配位作用实现配体在铂颗粒上的锚定，再依次经过配体预交联、碳化、尿素掺氮活化等手段，完成碳包覆铂碳催化剂的制备。本发明中，配体形成的表面碳层，一方面起到了阻隔作用，避免了铂颗粒直接暴露在反应环境中，与离子聚合物中的磺酸基团发生直接接触从而导致催化剂失活；另一方面，该碳层能够起到稳定铂组分的作用，防止了铂组分在长循环过程中发生从载体上溶出或者是相邻铂原子发生互融的现象。

技术领域

本发明属于材料和电化学领域，具体来说是制备新型碳包覆铂碳催化剂以实现高稳定性的方法，尤其是一种方法简单、适于批量生产、在维持催化剂活性同时有效提升循环稳定性的碳包覆方法。

背景技术

随着世界人口的不断增长和传统化石能源的日益枯竭，环境问题越发严重，人类对新型清洁能源的需求也愈加紧迫。在电池领域，燃料电池是一种理想的电化学发电装置，理论上只要持续供给燃料和氧化剂，就能连续不断地直接将化学能转化为电能，因而燃料电池的理论容量并无上限。不同于传统电池，燃料电池产生的废物一般为水、二氧化碳等无毒无害的物质，不会对环境产生污染。因此燃料电池作为一种能量转化率高、环境友好的发电装置，越来越成为各国政府和研究机构关注的重点。

在燃料电池中，可拆分为阴极和阳极上发生的两个半反应。然而阴极上氧气的还原反应电化学极化严重，反应速率迟缓，相较于阳极上的氧化反应速率低了六个数量级以上，是限制质子交换膜燃料电池发展的瓶颈难题。实现燃料电池大规模应用的关键也就在于发展出高效率、稳定性强的电极催化剂。研究发现，铂基催化剂能够展现出较好的氧还原催化活性，因此大量应用在现有的商业化催化剂产品当中。

但是目前商业化应用所使用的铂基催化剂大多是直接将铂金属纳米粒子负载在碳载体上，这样直接暴露在电化学反应环境当中的铂颗粒虽然能够展现出高效的氧还原催化活性，但却无法保持良好的长循环稳定性。主要原因在于这样的铂颗粒在碳载体上的附着作用力不强，在长循环过程中会发生溶出以及相邻铂颗粒的融合。另外在直接暴露出催化活性位点的同时，却无可避免地会与一些环境中存在的失活剂接触而造成活性位点的损失。例如商业燃料电池中常用的离子聚合物粘结剂Nafion中含有的磺酸基团会与铂颗粒发生相互作用，从而使催化活性大大降低。碳包覆是十分有效的稳定铂颗粒的手段。理想的碳包覆保护层一方面要能允许氧气和水等物质通过，进而与催化位点接触，另一方面要能防止失活剂的通过，即碳层需要存在孔径大小合适的碳孔，因此碳层的包覆方法至关重要。

发明内容

本发明提供了一种铂碳催化剂的碳包覆方法，具体技术方法为：首先使用一定量的油胺、油酸作为配体与铂碳催化剂共混，通过配位作用实现在铂颗粒上的锚定，再依次经过配体预交联、碳化、尿素热解掺氮活化等手段，完成碳包覆铂碳催化剂的制备。

具体步骤为：

（1）将铂碳催化剂与油酸、油胺混合，加入适量异丙醇搅拌6-24小时，离心即得油酸、油胺修饰的铂碳催化剂；

（2）将步骤（1）所得的油酸、油胺修饰的铂碳催化剂在氮气氛围下的管式炉中首先经过预交联处理，尔后继续升温使交联碳层进一步碳化后得到碳包覆铂碳催化剂；

（3）将步骤（2）中所得的碳包覆铂碳催化剂与尿素混合，再于氮气氛围下的管式炉中快速升温使之高温掺氮活化，得到高稳定性碳包覆铂碳催化剂。

本发明中，步骤（1）所述的铂碳催化剂、油酸、油胺的质量比为1:5:5。

本发明中，步骤（1）所述的铂碳催化剂、异丙醇的质量比为1:100。

本发明中，步骤（2）中氮气氛围配体预交联的温度为350℃，时间为0.5小时。