CN109103473A - 用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属电催化剂技术领域，提供了一种用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。本发明以含氮配体及碳材料为氮源和碳源通过碳化简单快速地制备了含有更多金属纳米颗粒附着位点的氮掺杂碳载体。本发明通过预先吸附金属盐、控制金属盐还原温度达到控制金属盐还原速率的目的，有利于金属纳米颗粒均匀地分散在载体上。本发明无需使用表面活性剂，所使用试剂安全无害。本发明制备工艺简单易行，合成成本低廉，易于规模化生产。本发明所制备的担载型高分散的纳米电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池阳极氢氧化反应。

Description

用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗 粒电催化剂的制备方法及应用
技术领域
本发明属于金属电催化剂技术领域，涉及一种用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。
背景技术
燃料电池高效提供清洁电能，不排放二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物和致霾颗粒物，仅排放清洁的水，被广泛认为是21世纪首选的新型化学电源。对于碱性燃料电池而言，阴极进行氧还原反应(1/2O2+H2O+2e-→2OH-)，产生的OH-经阴离子交换膜传递至阳极侧。在阳极侧燃料H2完成氢氧化反应(H2+2OH-→2H2O+2e-)，从而获得电能。碱性燃料电池由于其碱性环境，具有可以使用非贵金属作为阴极氧还原电催化剂且对非贵金属电催化剂的腐蚀性低等优点，因此碱性燃料电池具有潜在的应用前景。然而相比质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池阳极氢氧化反应速率低1-2个数量级，制约着碱性燃料电池的商业化。因此，开发高性能的碱性阳极氢氧化电催化剂，尤其促使金属纳米颗粒均匀地分散在碳载体上以提高金属利用率已成为了碱性燃料电池领域内的一个新的研究热点。
Lu等将金属盐前驱体、表面活性剂、溶剂混合进行高温反应；离心、洗涤、载碳得到负载型的高分散贵金属电催化剂。该方法可以控制贵金属活性组份的分散度、粒径，但是表活剂的使用会覆盖部分的金属活性位，不利于提高电催化剂的碱性氢氧化活性(Journalof the American Chemical Society,2017,139,5156-5163)。
Wang等将碳载体加入到含有贵金属前驱体的水溶液中；分散、搅拌、干燥；通入H2还原金属盐，得到碳担载的贵金属纳米颗粒电催化剂具有较高的碱性氢氧化活性。该方法具有简单快捷制备负载型电催化剂的优势，但是所制备的贵金属纳米颗粒分布不均(Journal of the American Chemical Society,2017,139,6807-6810)。
冷炎等将贵金属化合物通过离子交换或配位作用吸附到氰基功能化离子液体上，经高温焙烧得到氮掺杂碳负载纳米金属催化剂。然而氰基功能化离子液体成本较高(冷炎，王大伟，蒋平平，张晨军，江南大学，申请号：201710067598.X)。李钒将酞菁类金属化合物的N-N’二甲基甲酰胺(DMF)溶液、贵金属前驱体的水溶液加入到含有碳载体的醇溶液中；分散、搅拌；通入H2还原金属盐，得到金属颗粒粒径小且分散均匀的碳担载的贵金属纳米颗粒电催化剂。但是DMF毒性大、对物种及环境具有潜在的威胁性(李钒，王硕，王岩，王义智，北京工业大学，申请号：201610590014.2)。此外，还未见专利报道氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂适用于碱性燃料电池的阳极氢氧化反应。
综上所述，已报道的文章中碱性氢氧化电催化剂或已报道的专利中氮掺杂碳负载纳米金属催化剂的合成方法多需使用环境不友好的有机试剂或表面活性剂或合成成本较高。本发明无需使用表面活性剂，所使用试剂安全无害，制备工艺简单易行，合成成本低廉，易于规模化生产；所制备的担载型高分散的纳米电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池的阳极氢氧化反应。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用，采用氮掺杂碳为载体，有效增加金属纳米颗粒附着位点，且通过预先吸附金属盐、控制金属盐还原温度，控制金属盐还原位点及还原速率，提高了金属纳米颗粒的分散性。所制备担载型高分散的纳米电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池氢氧化反应。
本发明的技术方案：
用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，步骤如下：
(1)制备氮掺杂碳载体
将含氮配体与碳材料混合分散于有机试剂中，超声0.5～2h；在20～120℃温度条件下，搅拌蒸干有机试剂，得到黑色混合物；经真空烘干、研磨后，再在惰性气氛中、200～1100℃温度条件下碳化0.5～4h，最终得到氮掺杂碳载体；
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体分散于水中，超声0.1～2h得到悬浊液；将悬浊液置于水浴中，在20～90℃温度条件下，加入金属盐水溶液，恒温搅拌吸附0.5～10h；然后，降低温度至20℃以下，加入还原剂溶液，恒温搅拌0.5～4h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在一定气氛中100～600℃温度条件下处理0.5～4h，最终得到氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂。
所述的氮掺杂碳载体在悬浊液中的浓度为1～20mg ml-1；
所述的金属盐水溶液的浓度为1～200mmolL-1；
所述的还原剂的浓度为1～200mmolL-1；
所述的金属盐溶液的体积与还原剂的体积比为0.1～10；
所述的金属纳米颗粒电催化剂中金属的载量为0.01～90wt％。
所述的含氮配体为双氰胺、4，4’-联吡啶、2，2’-联吡啶、邻菲罗啉、三聚氰胺、苯二胺、4，4’-二氨基三联苯中的一种或两种以上的混合物。
所述的碳材料为炭黑、活性炭、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。
所述的含氮配体与碳材料的质量比为1/9-9/1。
所述的有机试剂为乙醇、乙二醇、丙醇、乙酸乙酯中的一种或两种以上的混合物。
所述的惰性气氛为氦气、氩气、氮气、氨气中的一种或两种以上的混合气。
所述的金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、三氯化钌、氯钌酸、氯钌酸钾、氯钌酸钠、氯钌酸铵、氯亚钌酸铵、三氯化铑、氯铑酸、氯铑酸钾、氯铑酸钠、氯铑酸铵、二氯化钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠、氯钯酸铵、氯亚钯酸钾、氯亚钯酸钠、氯亚钯酸铵、氯亚钯酸、三氯化铱、四氯化铱、氯铱酸、氯铱酸钠、氯铱酸钾、氯铱酸铵、三氯化金、氯金酸、氯金酸钠、氯金酸钾、氯金酸铵中的一种或两种以上混合物。
所述的还原剂为乙醇、乙二醇、水合肼、乙二酸、柠檬酸、抗坏血酸、苹果酸、蔗糖、葡萄糖、硼氢化钠、硼氢化钾中的一种或两种以上混合物。
所述的一定气氛为氮气、氨气、氦气、氩气、氢气、氧气中的一种或两种以上的混合气。
本发明制备的担载型电催化剂，金属纳米颗粒均匀地分散在氮掺杂碳载体上，颗粒直径约为3.0nm。
本发明制备的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池阳极的氢氧化反应。
与已报道的负载型高分散贵金属电催化剂的制备方法相比，本发明具有以下优点：
a)本发明以含氮配体及碳材料为氮源和碳源通过碳化简单快速地制备了含有更多金属纳米颗粒附着位点的氮掺杂碳载体。
b)本发明通过预先吸附金属盐、控制金属盐还原温度达到控制金属盐还原速率的目的，有利于金属纳米颗粒均匀地分散在载体上。
c)本发明无需使用表面活性剂，所使用试剂安全无害。
d)本发明制备工艺简单易行，合成成本低廉，易于规模化生产。
e)本发明所制备的担载型高分散的纳米电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池阳极氢氧化反应。
附图说明
图1是实施例1制备样品的透射电镜(TEM)照片，其中a)是在50nm条件下得到，b)是在20nm条件下得到。
图2是实施例1制备样品的粒径分布图；
图3是实施例1制备样品的热重分析(TG)曲线；
图4是实施例1制备样品与商业铂/碳催化剂(20wt％，Johnson Matthey)的碱性氢氧化曲线；
图5是实施例1制备样品与商业铂/碳催化剂(20wt％，Johnson Matthey)的碱性单池性能；
图6是实施例2制备样品的TEM照片，其中a)是在50nm条件下得到，b)是在20nm条件下得到。
图7是实施例2制备样品的粒径分布图；
图8是实施例2制备样品的TG曲线；
图9是实施例2制备样品与商业铂/碳催化剂(20wt％，Johnson Matthey)的碱性氢氧化曲线。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例一：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(1.0g)，2，2’-联吡啶(0.5g)分散在乙醇(30ml)中，超声40min；85℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中1000℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PdIr纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，40℃下，加入氯亚钯酸钾(20mM，6.6ml)、三氯化铱(20mM，6.6ml)，恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入抗坏血酸溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中300℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。
如图1，TEM结果表明所得产物为氮掺杂碳担载粒径均一的PdIr纳米颗粒电催化剂。
如图2，经粒径统计可知PdIr颗粒的粒径大约为2.7nm。
如图3，TG确定所得产物中PdIr的载量为20wt％。
如图4，所制备的电催化剂的碱性氢氧化活性优于商业铂/碳。
如图5，所制备的电催化剂的碱性氢氧化单池性能优于商业铂/碳。
实施例二：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(1.0g)，2，2’-联吡啶(1.0g)分散在乙醇(30ml)中，超声40min；85℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中600℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PtRu纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，25℃下，加入氯铂酸(20mM，6.6ml)、氯化钌(20mM，6.6ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入抗坏血酸溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中300℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。
如图6，TEM结果表明所得产物为氮掺杂碳担载粒径均一的PtRu纳米颗粒电催化剂。
如图7，经粒径统计可知PtRu颗粒的粒径大约为3.3nm。
如图8，TG确定所得产物中PtRu的载量为20wt％。
如图9，所制备的电催化剂的碱性氢氧化活性优于商业铂/碳。
实施例三：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(1.0g)，2，2’-联吡啶(0.5g)分散在乙醇(30ml)中，超声40min；85℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中600℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的Pd纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，40℃下，加入氯亚钯酸钾(20mM，18.8ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入抗坏血酸溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中300℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。经粒径统计可知Pd颗粒的粒径大约为3.5nm，其具有较高的碱性氢氧化活性。
实施例四：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(1.0g)，2，2’-联吡啶(1.5g)分散在乙醇(30ml)中，超声40min；85℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中600℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PtPdRu纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，25℃下，加入氯铂酸(20mM，6.4ml)、氯亚钯酸(20mM，0.162ml)、氯化钌(20mM，6.4ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入硼氢化钾溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中300℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。经粒径统计可知PtPdRu颗粒的粒径大约为2.4nm，其具有较高的碱性氢氧化活性。
实施例五：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(2.0g)，2，2’-联吡啶(2.0g)分散在乙醇(50ml)中，超声40min；80℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中600℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PdAuIr纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，25℃下，加入氯亚钯酸(20mM，6.4ml)、氯金酸(20mM，0.162ml)、氯化铱(20mM，6.4ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入硼氢化钾溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中200℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。经粒径统计可知PdAuIr颗粒的粒径大约为2.2nm，其具有较高的碱性氢氧化活性。
实施例六：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(2.0g)，2，2’-联吡啶(2.0g)分散在乙醇(50ml)中，超声40min；80℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氩气气氛中900℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PdRu纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，25℃下，加入氯亚钯酸(20mM，6.8ml)、氯化钌(20mM，6.8ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至10℃，加入硼氢化钾溶液(150mM，20ml)恒温搅拌0.5h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中200℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。经粒径统计可知PdRu颗粒的粒径大约为2.6nm，其具有较高的碱性氢氧化活性。
实施例七：
(1)制备氮掺杂碳载体
将活性炭(2.0g)，2，2’-联吡啶(2.0g)分散在乙醇(50ml)中，超声40min；80℃下，搅拌蒸干乙醇试剂，得到黑色混合物；经真空干燥箱烘干，研磨后，再在氮气气氛中900℃条件下碳化1h，最终得到氮掺杂碳载体。
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的PdAu纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体(160mg)分散于水溶液(20ml)中，超声40min；将上述得到的悬浊液置于水浴中，25℃下，加入氯亚钯酸(20mM，6.8ml)、氯金酸(20mM，6.8ml)恒温搅拌吸附2h；然后，降低温度至5℃，加入硼氢化钾溶液(150mM，20ml)恒温搅拌1h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在氢气气氛中200℃条件下处理1h，最终得到黑色固体产物。经粒径统计可知PdAu颗粒的粒径大约为3.2nm，其具有较高的碱性氢氧化活性。

Claims (10)

1.一种用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)制备氮掺杂碳载体
将含氮配体与碳材料混合分散于有机试剂中，超声0.5～2h；在20～120℃温度条件下，搅拌蒸干有机试剂，得到黑色混合物；经真空烘干、研磨后，再在惰性气氛中、200～1100℃温度条件下碳化0.5～4h，最终得到氮掺杂碳载体；
所述的含氮配体与碳材料的质量比为1/9-9/1；
(2)制备氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂
将氮掺杂碳载体分散于水中，超声0.1～2h得到悬浊液；将悬浊液置于水浴中，在20～90℃温度条件下，加入金属盐水溶液，恒温搅拌吸附0.5～10h；然后，降低温度至20℃以下，加入还原剂溶液，恒温搅拌0.5～4h；抽滤、洗涤、干燥，得到黑色混合物；研磨后，再在一定气氛中100～600℃温度条件下处理0.5～4h，最终得到氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂；
所述的氮掺杂碳载体在悬浊液中的浓度为1～20mg ml-1；
所述的金属盐水溶液的浓度为1～200mmolL-1；
所述的还原剂的浓度为1～200mmolL-1；
所述的金属盐溶液的体积与还原剂的体积比为0.1～10；
所述的金属纳米颗粒电催化剂中金属的载量为0.01～90wt％；
所述的一定气氛为氮气、氨气、氦气、氩气、氢气、氧气中的一种或两种以上的混合气。
2.根据权利要求1所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的含氮配体为双氰胺、4，4’-联吡啶、2，2’-联吡啶、邻菲罗啉、三聚氰胺、苯二胺、4，4’-二氨基三联苯中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的碳材料为炭黑、活性炭、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的有机试剂为乙醇、乙二醇、丙醇、乙酸乙酯中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1、2或4所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的惰性气氛为氦气、氩气、氮气、氨气中的一种或两种以上的混合气。
6.根据权利要求3所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的惰性气氛为氦气、氩气、氮气、氨气中的一种或两种以上的混合气。
7.根据权利要求5所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、三氯化钌、氯钌酸、氯钌酸钾、氯钌酸钠、氯钌酸铵、氯亚钌酸铵、三氯化铑、氯铑酸、氯铑酸钾、氯铑酸钠、氯铑酸铵、二氯化钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠、氯钯酸铵、氯亚钯酸钾、氯亚钯酸钠、氯亚钯酸铵、氯亚钯酸、三氯化铱、四氯化铱、氯铱酸、氯铱酸钠、氯铱酸钾、氯铱酸铵、三氯化金、氯金酸、氯金酸钠、氯金酸钾、氯金酸铵中的一种或两种以上混合物。
8.根据权利要求6所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、三氯化钌、氯钌酸、氯钌酸钾、氯钌酸钠、氯钌酸铵、氯亚钌酸铵、三氯化铑、氯铑酸、氯铑酸钾、氯铑酸钠、氯铑酸铵、二氯化钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠、氯钯酸铵、氯亚钯酸钾、氯亚钯酸钠、氯亚钯酸铵、氯亚钯酸、三氯化铱、四氯化铱、氯铱酸、氯铱酸钠、氯铱酸钾、氯铱酸铵、三氯化金、氯金酸、氯金酸钠、氯金酸钾、氯金酸铵中的一种或两种以上混合物。
9.根据权利要求1、2、4、6、7或8所述的用于碱性氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法，其特征在于，所述的还原剂为乙醇、乙二醇、水合肼、乙二酸、柠檬酸、抗坏血酸、苹果酸、蔗糖、葡萄糖、硼氢化钠、硼氢化钾中的一种或两种以上混合物。
10.一种氮掺杂碳担载粒径均一的金属纳米颗粒电催化剂的制备方法制备得到的金属纳米颗粒电催化剂具有较高的电催化活性，适用于碱性燃料电池阳极的氢氧化反应。
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