[发明专利]一种高分散Pt/NC纳米颗粒电催化材料的合成与应用

说明书

本发明涉及一种高分散Pt/NC纳米颗粒电催化材料的合成与应用，所述高分散Pt/NC纳米颗粒是利用具有对称性结构的卟啉有机配体将其Pt锚定在其中心，再与Ti(OBu)₄进行组装成为MOF，通过在管式炉中用不同温度煅烧得到不同的高分散Pt/NC纳米颗粒。本发明采用连续水热和煅烧法制备了分散均匀、效率高的铂基电催化剂，Pt纳米颗粒的均匀分布主要是由于卟啉MOF中的卟啉环的锚定作用，这使得高温煅烧过程中Pt团聚情况尽可能减少。结果表明在酸性介质中，Pt/NC‑850在过电位仅为17、82和152mV的情况下电流密度可以达到10、50和100mA·cm^‑2。同时我们还发现，Pt/NC‑850在碱性介质中也具有优异的活性、良好的稳定性和耐久性。

技术领域

本发明涉及电催化析氢技术领域，具体涉及一种高分散Pt/NC纳米颗粒电催化材料的合成和应用。

背景技术

随着人类经济和文明的快速发展，人们对能源特别是化石燃料的迫切需求逐渐增加，同时伴随着越来越严重的环境问题。与化石燃料相比，氢具有燃烧值高的优点，约为石油当量的3倍，氢还有其另一特别之处在于其燃烧产物是水，无任何污染，是最理想的能源载体。在各种制氢工艺中，电催化分解水析氢是阴极析氢反应(HER)制氢的有效方法，将电能转化为较为稳定的化学能，在获得氢气的同时不会产生其他副产物，是一种对环境友好、实现可持续储氢的方法。在电催化分解水析氢的过程中，要求降低析氢反应的过电位，提高电催化析氢反应的速率，这可以通过研究开发具备优异催化电催化析氢反应的催化剂来实现。因此，研究催化材料对电催化产氢技术有着重要的意义。

将催化剂负载在合适的基材材料上可使它们高度分散，有助于提高催化效率和稳定性目前，多种碳纳米材料，如碳纳米管、碳纳米球等作为催化剂的载体，使得催化剂高度分散在碳基材料上。金属有机框架(MOFs)是由金属节点和有机配体组装而成的非常有序的材料，可以将各种金属固定在金属节点或有机配体中，从而实现金属固定和高分散。最近，由于卟啉环中的四个氮原子具有很强的金属捕获和固定能力，卟啉已被用作合成MOF的有机配体。例如，据报道，金属Pt可以与四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)配位，然后作为含有中心金属的有机配体与金属节点(Cu²⁺)自组装，进一步获得MOFs纳米片，在其中Pt含量可高达12.0wt％，并且Pt以高度分散的单原子形式存在。然而，卟啉基MOFs直接用作HER催化剂的报道较少，大多与其他材料复合，或作为金属纳米粒子、纳米团簇和量子点等的载体。例如，多孔PCN-222和PCN-221 已被用作载体，通过化学气相沉积法封装Pt/C量子点，实现了高效的电催化析氢性能。此外，卟啉基MOFs的高温热解获得的材料由于其元素(如金属元素)的高度分散性，通常表现出优异的电催化性能。例如，在800℃高温热解PCN-MOFs获得的氮掺杂碳基材料(MSA-N-C)上的单原子金属在电催化CO2还原和氧还原反应(ORR)中具有优异的性能。然而，关于电催化析氢的报道很少

因此，研究高温煅烧卟啉MOFs获得的高分散催化材料并将其应用于电催化析氢，是本领域技术人员研究的方向。

发明内容

本发明的目的在于合成一种高分散Pt/NC纳米颗粒电催化材料，以实现优异的电催化析氢效果。

一种高分散Pt/NC纳米颗粒电催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以Ti(OBu)₄、苯甲酸和PtTCPP为原料，通过水热法制备了Ti-PtTCPP；

(2)以Ti-PtTCPP为原料，通过高温煅烧法制备了Pt基电催化材料Pt/NC- T。

其中，所述步骤(1)中，反应温度为150度，时间为5天；

所述步骤(2)中，煅烧温度分别为400,500,600,700,800,850度，时间为 2小时。