[发明专利]一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法。本发明提供的制备方法中，氮掺杂碳材料是由含氮金属有机框架材料热解形成，利用该材料负载Pt前驱体之后在惰性气体和氨气气氛中进行煅烧得到掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂；该方法制得的催化剂中，Pt纳米颗粒的尺寸均一且粒径较小，具有较高的电催化氧还原活性和稳定性，在质子交换膜燃料电池中展现出优异的性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法。

背景技术

开发具有高活性、低成本的氧还原(Oxygen reduction reaction，ORR)电催化剂是降低质子交换膜燃料电池成本的核心问题。目前，铂(Platinum，Pt)基催化剂是酸性体系中性能最优异的ORR催化剂。为了进一步提高催化剂的性能，美国能源部(Department ofEnergy，DOE)设定了相应目标，即到2025年Pt基催化剂的质量活性(Mass activity，MA)大于0.44A/mgPt@0.9ViR-free。

目前报道的Pt基催化剂具有以下的缺点：1.利用传统方法制备得到的催化剂中，Pt纳米颗粒(Nanoparticles，NPs)具有较大的尺寸分布，暴露在颗粒表面的Pt原子比例较低，限制了MA的提升。通过简单制备方法难以实现Pt纳米颗粒尺寸的可控调节。2.无孔或者以微孔结构为主的碳载体材料不利于三相界面的传质过程，同时也无法避免离聚物与Pt纳米颗粒的直接接触，易导致Pt的毒化。

由于燃料电池膜电极(Membrane electrode assembly，MEA)上的电化学反应环境复杂，ORR只在有限的三相界面处发生。因此，立足于调控活性位点和优化三相界面传质结构，设计和制备高性能的燃料电池阴极催化剂十分迫切。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，该方法可全部或部分解决现有技术中存在的以MOFs材料为前驱体难以制备得到介孔碳载体材料、传统方法制备得到的催化剂中Pt纳米颗粒具有较大的尺寸分布等问题。

本发明的第二目的在于提供一种掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂，该催化剂中Pt纳米颗粒均匀分布，尺寸较小，具有较高的活性和稳定性。

本发明的第三目的在于提供一种燃料电池膜电极，包括如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(A)唑类有机配体和锌金属盐反应合成金属有机框架前驱体材料；

(B)所述金属有机框架前驱体材料在惰性气氛中进行热解得到氮掺杂碳材料；

(C)所述氮掺杂碳材料进行Pt前驱体担载得到担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料；

(D)所述担载Pt前驱体的氮掺杂碳材料依次在惰性气氛中煅烧、氨气气氛中煅烧后得到所述掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。

本发明还提供了掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂，采用如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂制备方法制备得到。

本发明还提供了燃料电池膜电极，包括如上所述的掺氮介孔碳负载Pt燃料电池阴极催化剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：