CN114094129B - 一种碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：在铂碳表面形成用于吸附金属离子的包覆层，然后浸渍于金属盐溶液中；所述金属盐溶液的金属源至少包含四种金属元素；将浸渍后的铂碳进行煅烧，金属离子通过热扩散融于铂纳米颗粒中进而形成高熵合金，然后经酸洗、干燥制得。本发明利用铂碳进行高熵合金化，避免了后续的载体担载过程，并且铂锚定在载体的表面，具有适度的分散性，有助于抑制铂在高温煅烧还原过程中的热迁移，利于合金颗粒保持小的尺寸和良好的分散性；不会限制合金种类，普适性强；所制备的PtNiCoMnCe高熵合金的半波电位为0.938V，优于商业铂碳49mV，氧还原性能好。

Description

一种碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料电催化剂的制备方法，尤其涉及一种碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池由于能量转换效率高、工作温度低和可持续发电，已成为有效利用氢能的一种方法。然而，由于阴极Pt催化剂活性不足、稳定性差以及价格昂贵，质子交换膜燃料电池的发展受到了抑制。
多元合金能够调节电催化剂活性中心的电子结构，提高电催化剂单位活性位点的催化活性，从而显著提高电催化剂的催化活性，而且低成本合金元素的引入能够降低电催化剂的整体成本。但是合金化通常在高温条件下进行，这会带来严重的金属颗粒团聚，导致催化剂活性面积减小，最终造成催化性能降低。高熵合金是多元合金的一种特殊类型，其由几乎相等比例的5种或更多元素组成的单相固溶体，合金的多元素性质带来的高混合熵，有助于在简单的晶体结构中形成固溶体。高熵合金组成的复杂性提供了几乎连续的表面活性位点，利于提升电催化剂的催化活性。
近期，一些高熵合金电催化剂被成功的应用于质子交换膜燃料电池，但是它们仍然面临着诸多问题。邱华军课题组采用脱合金的方法，制备了一系列高熵合金氧还原电催化剂，其中，AlCuNiPtMn展现出了最高的氧还原活性(3.5A/mgpt)；在0.6-1.0V电压下，经过3万次伏安曲线扫描，催化活性几乎没有衰减。但是脱合金法通常采用铝作为靶材，很难完全腐蚀掉高熵合金中的铝元素，因此，该法制备的高熵合金都有铝元素，限制了可能的高熵合金的种类，而且Al对氧还原反应是惰性的，不利于氧还原性能的提高。2021年，Skrabalak等人以PdCu作为核，采用共还原法制备得到了高熵合金：PdCuPtNiCo。该高熵合金作为氧还原电催化剂时，具有79.4m2gPt -1的电化学活性面积，经过1万次伏安曲线扫描，电化学活性没有发生改变，表明其良好的稳定性。但是该高熵合金电催化剂的氧还原半波电位仅有0.83V，氧还原性能较弱。该方法的煅烧还原过程长达10小时，过长的煅烧时间不利于电催化剂的大量制备。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种粒径可控、具有普适性且氧还原性能优异的碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法。
技术方案：本发明所述的碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在铂碳表面形成用于吸附金属离子的包覆层，然后浸渍于金属盐溶液中；所述金属盐溶液的金属源至少包含四种金属元素；
(2)将浸渍后的铂碳进行煅烧，金属离子通过热扩散融于铂纳米颗粒中进而形成高熵合金，然后经酸洗、干燥制得。
其中，步骤(1)中，将能够发生自聚合的有机小分子与铂碳混合，使有机小分子发生自聚合反应在铂碳表面形成包覆层。
其中，步骤(1)中，所述有机小分子为吡咯、噻吩、苯胺或多巴胺中的至少一种；有机小分子形成的包覆层能够与金属离子发生配位作用，为金属离子带来更好的分散性和合金化；包覆层在高温下不仅抑制了铂颗粒的迁移，同时作为还原剂，使得金属离子得以还原；碳化的包覆层与铂颗粒产生强的金属载体相互作用，能够稳定铂颗粒。
其中，步骤(2)中，所述金属元素为金、钯、钴、铜、镍、锰、铈、铁或锌中的至少四种。
其中，步骤(1)中，所述金属盐的盐溶液为金属的乙酸盐溶液、乙酰丙酮盐溶液；
其中，步骤(2)中，所述煅烧的温度为700℃～900℃，保温时间为1h～2h；若温度低于700℃，则有机物碳化不完全，影响活性位点的暴露；若温度高于900℃，则铂颗粒突破载体以及包覆层的抑制作用，发生团聚；若保温时间大于2h，则铂颗粒因持续迁移而相互融合产生大的颗粒；若保温时间小于1h，则金属离子迁移时间不足，合金化程度低。
其中，所述煅烧以5-20℃/min的升温速率加热；若升温速率大于20℃/min，则与有机包覆层配位的金属离子因受热不均匀，扩散不均衡；若升温速率小于5℃/min，则煅烧时间过长，生产效率低。
其中，步骤(2)中，所述煅烧在惰性气体保护下进行。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、利用铂碳进行高熵合金化，避免了后续的载体担载过程，并且铂锚定在载体的表面，具有适度的分散性，有助于抑制铂在高温煅烧还原过程中的热迁移，利于合金颗粒保持小的尺寸和良好的分散性；不会限制合金种类，普适性强；所制备的PtNiCoMnCe高熵合金的半波电位为0.938V，优于商业铂碳49mV，氧还原性能好。2、有机包覆层能够与金属离子发生配位作用，为金属离子带来更好的分散性和合金化，在高温煅烧过程中既作为保护层抑制铂颗粒的团聚，又作为还原剂使得金属离子得以还原；碳化的包覆层与铂颗粒产生强的金属载体相互作用，能够稳定铂颗粒。
附图说明
图1是本发明多元合金氧还原电催化剂的制备流程图；
图2是本发明实施例1制备的PtNiCoMnCe高熵合金氧还原电催化剂的XRD谱图；
图3是本发明实施例1制备的PtNiCoMnCe高熵合金氧还原电催化剂与商业铂碳在0.1M氧饱和HClO4溶液中的LSV曲线，转速为1600rpm，扫速为10mV/s；
图4是本发明实施例1制备的PtNiCoMnCe高熵合金氧还原电催化剂与商业铂碳质量比活性和面积比活性的对比图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种碳材料负载的多元合金氧还原电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在60ml 0.5M H2SO4溶液中加入80mg商业铂碳和78.43μl苯胺单体，超声混合30分钟然后室温搅拌2小时，在冰浴条件下，以164.48mg过硫酸铵作为引发剂，使苯胺原位聚合在商业铂碳表面；然后进行洗涤和干燥，得到表面包覆聚苯胺的商业铂碳；
(2)将表面包覆聚苯胺的商业铂碳加入50ml含有等摩尔比的乙酰丙酮镍、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锰和乙酰丙酮铈的乙醇溶液中，超声混合30分钟然后室温搅拌2小时，通过旋转蒸发仪进行干燥处理，得到浸渍有乙酰丙酮盐的包覆有机物的商业铂碳；
(3)将步骤(2)中浸渍有金属盐的包覆有机物的商业铂碳在惰性气体保护下进行煅烧，以5℃/min的升温速率加热至900℃后保温1h，然后自然冷却室温；然后采用0.5MH2SO4溶液，在80℃水浴中酸洗6小时，洗掉样品表面杂质；经真空干燥得到碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂。
本发明的上述制备方法的流程如图1所示；图2是本实施例制备的PtNiCoMnCe合金氧还原电催化剂的XRD图，从图2中出现了PtNiCoMnCe高熵合金的特征衍射峰，表明成功制备了PtNiCoMnCe高熵合金。
图3、4是酸性条件下，本实施例制备的PtNiCoMnCe合金氧还原电催化剂的氧还原性能。图3是PtNiCoMnCe高熵合金与商业铂碳在0.1M氧饱和HClO4溶液中的线性扫描伏安曲线，PtNiCoMnCe高熵合金的半波电位比商业铂碳多了49mV，其中，半波电位E1/2，0.938V，商业铂碳0.891V。图4是PtNiCoMnCe高熵合金与商业铂碳的质量比活性和面积比活性对比图。PtNiCoMnCe高熵合金的质量比活性和面积比活性都远远大于商业铂碳，表明该材料具有更优秀的氧还原催化性能。
表1是本实施例制备的PtNiCoMnCe高熵合金氧还原电催化剂的ICP结果。
表1
元素 金属元素含量(wt.％)
Pt 47.7
Ni 1.4
Co 1.1
Mn 2.6
Ce 0.0377
实施例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(1)中：在40ml氧饱和的Tris-HCl缓冲溶液中加入40mg商业铂碳和120mg盐酸多巴胺，在氧饱和条件下，室温搅拌1小时，盐酸多巴胺原位聚合在商业铂碳表面；步骤(3)中：以5℃/min的升温速率加热至700℃后保温1h。可得到与实施例1类似的PtNiCoMnCe高熵合金。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(1)中：在100ml水溶液中加入1g十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，然后加入80mg商业铂碳和50μl吡咯单体，超声混合30分钟然后室温搅拌2小时，在冰浴条件下，以0.2M氯化铁作为引发剂，使吡咯原位聚合在商业铂碳表面；步骤(3)中：以5℃/min的升温速率加热至700℃后保温1h。
实施例4
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中：金属盐为等摩尔比的乙酰丙酮钯、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮铁和乙酰丙酮锌的乙醇溶液。
实施例5
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中，将表面包覆聚苯胺的商业铂碳加入含有等摩尔比的乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰和乙酸铈的水溶液中。
实施例6
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(3)中，煅烧的温度为700℃，保温1h。
实施例7
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(3)中，以20℃/min的升温速率加热至900℃，保温2h。
对比例1
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，省略步骤(1)，即，将不经过包覆处理的商业铂碳加入含有等摩尔比的乙酰丙酮镍、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锰和乙酰丙酮铈的乙醇溶液中。
对比例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，省略步骤(1)，步骤(2)中将商业铂碳加入含有等摩尔比的乙酰丙酮镍、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锰和乙酰丙酮铈的乙醇溶液中，超声混合30分钟然后室温搅拌2小时，然后加入硼氢化钠还原各金属离子。
对比例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(3)中加热温度为1000℃。
经检测，本对比例制备的PtNiCoMnCe高熵合金的平均粒径为10nm，更有尺寸达到50nm的大颗粒，由于过高的煅烧温度，合金颗粒突破了包覆层的抑制作用，严重团聚，导致合金颗粒尺寸显著增大，过大的颗粒导致催化剂活性面积减小，不利于氧还原反应，而电化学性能也验证了这一点，本对比例的氧还原性能弱于实施例1。
通过本对比例和实施例1对比可以看出，当煅烧温度过高时，合金颗粒会突破包覆层的抑制作用，导致粒径增大，活性面积降低，导致差的氧还原性能。

Claims (4)

1.一种碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在铂碳表面形成用于吸附金属离子的包覆层，然后浸渍于金属盐溶液中；所述金属盐溶液的金属源至少包含四种金属元素；
（2）将浸渍后的铂碳进行煅烧，金属离子通过热扩散融于铂纳米颗粒中进而形成高熵合金，然后经酸洗、干燥制得；
步骤（1）中，将能够发生自聚合的有机小分子与铂碳混合，使有机小分子发生自聚合反应在铂碳表面形成包覆层；
步骤（2）中，所述煅烧的温度为700℃～900℃，保温时间为1h～2h，所述煅烧以5-20℃/min的升温速率加热，所述煅烧在惰性气体保护下进行。
2.根据权利要求1所述的碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述有机小分子为吡咯、噻吩、苯胺或多巴胺中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述金属元素为金、钯、钴、铜、镍、锰、铈、铁或锌中的至少四种。
4.根据权利要求1所述的碳材料负载的高熵合金氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述金属盐的盐溶液为乙酸盐溶液或乙酰丙酮盐溶液。
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