[发明专利]一种富孔碳载纳米铂催化材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种富孔碳载纳米铂催化材料及其制备方法。主要制备步骤包括：碳载体预处理、铂微晶形核、碳载体吸附铂微晶、铂纳米晶体生长、多巴胺包覆铂颗粒、高温热处理并造孔。本发明制备方法通过碳载体的静电吸附作用锚定了大量分散的铂单原子或铂原子团簇，在高温下利用二氧化碳对碳载体造孔，制备了兼具电催化活性和稳定性的富孔碳载纳米铂催化材料。本发明制备方法能够提高贵金属颗粒分散度、有效缓解了铂金属纳米颗粒的烧结长大，制备的催化剂电化学性能和寿命均有明显提高。该催化材料可应用于燃料电池膜电极、水电解膜电极和气体传感器。

技术领域

本发明涉及氢能与燃料电池技术领域，具体涉及一种富孔碳载纳米铂催化材料及其制备方法。

背景技术

氢燃料电池技术横跨材料、能源、交通、环境四大领域，在全球能源结构变革中占有重要地位，是各国实现能源安全战略及低碳目标的重要路径之一。目前我国已有超过三分之一的央企在布局氢能与燃料电池产业。据中国氢能联盟预测，2025年我国氢能产业产值将达到1万亿元，2035年达到5万亿元，2050年将超过10万亿元。其中，以碳载纳米铂催化材料为代表的电催化材料是氢燃料电池和电解水制氢的关键材料，将为我国氢能产业提供重要支撑。这类材料主要应用于氢燃料电池、电解水制氢、气体传感器等领域，并与新能源汽车、储能发电、化工冶金、航天航海、军工装备等产业有较大的关联。

然而目前国内燃料电池催化剂主要来自进口。国产催化剂仍处于小批量生产或研发阶段，主要问题是催化活性和稳定性与进口产品还有较大差距。主要是催化剂中的铂纳米颗粒暴露不充分、铂纳米颗粒粒径分布不均、铂纳米晶体结构存在较多缺陷、碳载体耐腐蚀性能较差等原因。在制备时的热处理过程中、在燃料电池的实际工况中，特别是是在电化学老化过程中, 铂纳米颗粒存在溶解现象，此外碳载体的腐蚀还会加速奥斯瓦尔德熟化现象，导致催化剂中铂颗粒的长大、电化学活性面积降低，进而导致催化剂性能的大量损失。

中国专利CN202110300382.X报道了将PVP作为碳载体改性助剂，并采用多巴胺作为一种层层自组装诱导剂制备铂碳催化剂。该方法需要在还原气氛下进行高温处理方可形成铂颗粒，在这一步骤之前，铂是离子形态，被PVP和多巴胺包裹。在热处理时形成的铂颗粒会被较厚的碳层包埋，而裸露在碳载体之外、真正能够参与电化学反应的铂纳米颗粒则较少，这会导致电催化活性降低。此外，为了不使铂颗粒长大，该方法热解的温度仅有500℃，PVP材料在此温度下形成的碳材料石墨化程度很低，这类碳材料的耐腐蚀性能较差。

中国专利CN201911258963.0报道了一种燃料电池阴极催化剂，将碳材料、缓冲液与盐酸多巴胺溶液混合，再加入铂前驱体溶液，经过冷冻干燥后进行热处理。制备方法虽然简单，但该方法仅限于克级或更少材料的制备。在大批量制备时，由于冷冻干燥工艺所形成的冰晶尺寸较大且分布不均，热处理后形成的铂颗粒尺寸难以达到分布均匀的效果。

中国专利CN201010268292.9报道了一种燃料电池催化剂的制备方法，即在醇环境下以甲醇、甲醛、硼氢化钠、水合肼等为还原剂，但是甲醇、甲醛对人体有明显的毒害作用，长期接触易致癌，而硼氢化钠、水合肼等还原剂较强，易爆不易保存。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种催化活性和稳定性兼具的富孔碳载纳米铂催化材料，该材料的制备方法还要兼顾合成工艺简单，成本低，易于产业化的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种富孔碳载纳米铂催化材料制备方法，包括以下步骤：

S1、碳载体预处理

将碳载体分别与有机溶剂和酸溶液混合、过滤、干燥备用；

S2、铂微晶形核

将铂前驱体溶液进行冰冻至固态，经紫外光照后粉碎为铂前驱体冰晶，并将其继续冰冻以备用；

S3、碳载体静电吸附铂微晶