[发明专利]自支撑氮掺杂碳纳米管负载铂纳米簇状物的制备与应用

说明书

本发明公开了自支撑氮掺杂碳纳米管负载铂纳米簇状物的制备与应用，其结构单元为以碳布为前体，以氮掺杂碳纳米管(NCNTs)作为导电网络，铂纳米簇状物负载于其上。制备方法步骤包括：以碳布为前体，由六水硝酸钴、九水硝酸铁、氟化铵和尿素制得钴铁纳米线。再由生长钴铁纳米线的碳布和双氰胺制得氮掺杂碳纳米管。本发明的直接甲醇燃料电池三功能催化剂在催化直接甲醇燃料电池ORR和MOR反应中的应用及在HER反应中的电催化性能，能显著增强吸附气体吸附效率，提高稳定性和电导性，在ORR、MOR和HER反应中具有较低的过电位和成本，可以满足商业化应用的要求。

技术领域

本发明属于直接甲醇燃料电池催化剂技术领域，具体涉及自支撑氮掺杂碳纳米管负载铂纳米簇状物及其制备方法与其在直接甲醇燃料电池中的应用。

背景技术

现如今世界能源有限，人类的不合理开采及浪费造成了能源危机与环境污染等诸多问题，为了满足现代社会的需要和缓解生态健康问题，寻找高效、清洁、可持续发展的能源技术是当今世界能源领域的研究重点。

氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)是重要的可再生能源技术的核心反应过程，应用涉及到燃料电池和金属-空气电池等领域。在燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)采用全氟磺酸膜作为电解质、电解质无腐蚀、所需工作温度低、工作电流大、功率密度高、重量轻、启动快、环境友好及寿命长等优点，成为研究重点。直接甲醇燃料电池(DMFCs)是除氢燃料外，能量最高的燃料电池。DMFCs作为直接将化学能转化为电能的发电装置，具有能量转换效率高、操作简单、启动快和绿色无污染等优点。然而，它的性能也受多方面因素的影响。首先，甲醇可以通过电解质膜从阳极渗透到阴极催化剂层，这会严重覆盖Pt表面，降低ORR活性位点。并在阴极产生一个“混合电位”，降低燃料的转换效率和电池的输出功率。其次，电化学反应动力学缓慢导致的活化极化损耗会降低电池电压。同时，甲醇及其氧化的中间产物(CO)还会使商业铂碳催化剂(Pt/C)中毒，影响Pt对ORR的催化活性。最后，在地球上铂的含量稀少并有限，商业Pt/C催化剂的造价昂贵等都是影响DMFCs商业化发展的因素。因此，寻找并设计高效、低廉、新型的高铂利用率、高催化活性、稳定性和抗CO中毒能力强的催化剂是实现DMFCs商业化发展的首要任务。

为了寻找Pt基催化剂的替代品，3D过渡金属(TMs)也被广泛应用于DMFCs催化剂领域，如Fe、Co和Ni等。当金属及其合金纳米颗粒用作催化剂时，不仅具有非贵金属活性位点，而且合金化丰富了其单个金属的功能，为提高电催化活性创造了新的可能性。然而，纳米粒子的团聚减少了活性位点，降低了催化剂的活性和稳定性。因此，将合金纳米粒子限制在有限的空间内并保持其优异的电化学活性尤为重要。如氮掺杂碳纳米管具有独特的中空结构、优良的电子传导能力、高机械强度、较高的比表面积以及良好的化学稳定性等优点，被认为是一种理想的电催化剂载体材料。在以前的研究中，催化剂通常以粉末形式存在，电极是使用聚合物粘合剂制造的，例如Nafion。粘合剂的使用会导致电荷转移电阻的增加，并且会导致催化剂的活性表面积减少，进而影响DMFCs的性能和未来发展。因此在碳布上生长活性材料可以有效防止活性材料的团聚，充分利用活性位点，提高催化剂的稳定性。磁控溅射(PVD)是一种基于等离子体的高速物理气相沉积技术，它用电离粒子轰击靶材，使靶材表面原子脱落，然后沉积在基板上形成薄膜。PVD是一种绿色、低成本的纳米材料制备技术。因此利用等离子体溅射沉积将铂均匀的负载于氮掺杂碳纳米管表面，同时又不破坏氮掺杂碳纳米管的结构从而提高电催化性能和Pt的利用率是氮掺杂碳纳米管负载铂纳米簇状物作为直接甲醇燃料电池的高效ORR/MOR双功能催化剂的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明通过在自支撑氮掺杂碳纳米管负载铂纳米簇状物，实现铂纳米簇状物的均匀负载，具有铂利用率高、电子传导能力强、催化活性高等优点，可应用于直接甲醇燃料电池电极材料。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：