CN115064711A - 一种高活性原位氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种高活性原位氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂的制备方法，主要成分的合成步骤：包括：1)制备负载有非贵过渡金属单质的碳载体，2)制备Pt包覆非贵过渡金属的催化剂前驱体，3)制备非贵过渡金属氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体，4)制备铂基核壳催化剂，进一步，得到本发明的氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂；该制备的铂基合金催化剂，作为作电解水的催化剂，可用于制备质子交换膜燃料电池。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体的是，涉及一种高活性原位氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂的制备方法及其用于燃料电池的用途。
背景技术
质子交换膜燃料电池，是一种将小分子有机物或者氢气直接转换成电能的能源转换装置，其是氢能产业链的关键能源转换装置。该装置中的关键核心材料之一是催化剂，其催化性能和耐久性直接影响装置能量的转换效率和寿命。掺氮碳载体能够提升导电率、电化学稳定性和耐久性。目前氮掺杂一般分为两类，即间接掺杂和原位掺杂。通常，间接掺杂的N原子是通过N源气氛(如:氨气)和含氮源的前驱体等合成方法掺杂到碳材料表面上，而原位掺N方法是能够以相对均匀的方式掺杂到整个碳材料中。铂基合金催化剂(如:铂钴，铂镍合金等)具备更高的活性，同时可降低Pt的用量。然而，合金催化剂耐久性依然受到人们的关注。
为制备高性能和高耐久的合金催化剂，除了在合金过程做研究外，还需要在碳载体上进行的优化。为了提高催化剂的耐久性，向碳载体中加入氮源，得到原位掺氮的碳载体，该掺氮方法更为简单；然而，一般用氨气作为氮源掺氮，操作更加复杂，且具有一定的危险性。其次，在后期合成过程中为形成M-N-C(M表示非贵过渡金属元素，M-N-C结构：一种非贵过渡金属元素与氮和碳形成螯合物，该螯合物是一种非贵金属催化剂)催化活性位点，在催化过程中可起到协同催化作用；然而，一般催化剂只提供单一的催化剂材料。最后，该方法得到合金催化剂的合金化更加均匀，增加了催化剂活性；然而，一般铂基核壳催化剂的合金面只存在于内表面或者外表面。
中国专利CN110890558A提供了一种铂基核壳催化剂的制备方法，有效实现对合金催化剂的制备。然而，该专利只关注合金化上，没有关注碳载体，并且，该催化剂的合金面大部分仅存在于铂壳的内表面，没有在更大的范围内实现合金化。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明采用导电聚合物做为氮源，在前期作为金属前驱体提供附着位点，后期在退火过程中为碳材料的掺氮提供氮源，同时为生成M-N-C结构的非贵金属催化位点提供氮源，为催化剂的耐久性和活性提供保障。另一方面，非贵金属在前期为铂壳的形成提供核，在后续为铂壳外表面提供非贵金属前驱体，进而在高温合金化后形成铂壳内外表面合金均匀的合金催化剂。
本发明也提供一种铂基核壳催化剂制备技术。不同之处在于：本发明在制备薄壳合金催化过程中实现了碳载体的原位氮掺杂；其次，氮源在前期能够提供更多的金属锚定位点，使得金属前驱体更加均匀和稳定的负载到碳载体表面；最后，制备的合金催化剂可实现铂壳内外两个表面的合金化。
本发明以导电聚合物为碳源和氮源，结合原位络合、原位掺氮和多元醇还原技术，实现了高活性和高耐久性催化剂的制备；同时，在添加过渡非贵金属元素前驱体后，在催化剂碳材料原位氮掺杂处理过程中部分可生成M-N-C结构，进而增加催化剂的活性位点；该方法也为高活性和高耐久性合金催化剂的制备提供了一种简单且适合量产的方法。
具体地说，本发明的第一方面，是提供一种高活性原位氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂的制备方法，包括：
1)制备负载有非贵过渡金属单质的碳载体；首先碳材料均匀分散到去离子水和乙醇混合液(1:1)中，然后将吡咯或者苯胺单体和碳材料溶解分散，然后加入氧化剂使得吡咯或者苯胺单体在碳材料表面进行聚合形成聚合物包覆的碳载体(PPy@C,PANI@C)，其次将非贵过渡金属前驱体在聚合物表明进行原位络合，再次用氨水调pH使得PPy@C或者PANI@C载体均匀负载有M的氢氧化物沉淀，然后放入还原气氛的气氛炉中在高温还原得到负载有M单质的碳载体(M/PPy@C或者M/PANI@C)。
优选的，所述非贵过渡金属M表示Fe、Co、Ni、Cu和Zn等中的任何一种或多种；
优选的，所述碳材料包括：碳纤维、中间相碳微球、天然石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、硬碳、多孔活性炭、高取向石墨、炭黑、金刚石、碳纳米管、富勒烯和石墨烯等中的一种；
优选的，所述氧化剂包括：三氯化铁、过硫酸铵、过氧化氢和氯化铜等中的一种，氧化剂和吡咯或者苯胺单体物质量的比为1:2～10:1；
优选的，所述碳材料和聚合物的质量比为100:1～10:1；
优选的，所述非贵过渡金属前驱体包括：Fe、Co、Ni、Cu和Zn等中的任何一种或多种的可溶解性盐；
优选的，所述氨水调pH为8～11；还原气氛是浓度为5％～20％的氢气或者一氧化碳与惰性气体的混合气，气氛炉的热处理温度为350℃～600℃。
2)制备Pt包覆非贵过渡金属的催化剂前驱体；将Pt的前驱体和M/PPy@C或者M/PANI@C载体在有机溶剂环境中进行混合，并用NaOH或者KOH调节pH至碱性，然后放入油浴锅中回流处理，在回流结束温度降至室温后用无机酸调节pH至酸性并搅拌适当时间，得到Pt包覆Co的催化剂前驱体。
优选的，所述Pt的前驱体主要包括：氯铂酸，氯铂酸钾，氯铂酸钠或硝酸铂；
优选的，所述有机溶剂主要包括：乙醇、异丙醇、正丙醇、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)或乙二醇等有机溶剂；
优选的，所述NaOH或者KOH调节pH至碱性范围为8～11；
优选的，所述油浴锅中回流温度范围为80℃～200℃；
优选的，所述无机酸包括：硫酸，盐酸，硝酸，高氯酸或氢氟酸；无机酸调节pH范围为2～6。
3)制备非贵过渡金属氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体；将上述第2步在搅拌状态下用氨水调节pH至碱性，然后正压过滤得到滤饼；同时，对滤饼用大量乙醇和去离子水清洗，并将滤饼放入真空干燥箱中干燥10h以上；最后，将干燥后的滤饼进行研磨得到氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体粉末。
优选的，氨水调节所述pH范围为8～11；清洗至滤液在加入硝酸银后无明显沉淀；真空干燥箱的温度为40℃～200℃。
4)制备铂基核壳催化剂；将上述第3步得到的催化剂前驱体放入还原气氛的气氛炉中进行退火处理，并在惰性气氛中继续进行高温合金化处理；然后，用无机酸溶液水浴清洗；最后，正压过滤并用大量去离子水清洗，并将滤饼放入真空干燥箱中干燥10h以上后，研磨得到铂基核壳催化剂。
优选的，所述还原气氛是浓度为5％～20％的氢气或者一氧化碳与惰性气体的混合气，气氛炉的热处理温度为350℃～600℃；合金化高温为500℃～1000℃；惰性气氛为高纯氮气，氩气；无机酸为硫酸，盐酸，硝酸，高氯酸，氢氟酸；水浴温度为50℃～95℃；真空干燥箱的温度为40℃～200℃。
本发明的第二方面，是把本发明第一方面的制备方法所得到的氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂，作为电解水的催化剂，应用到燃料电池。
具体实施方式
下面，通过详细的示例性实施例，对本发明的内容作进一步的说明。
实施例1
1)取450mg卡博特BP2000碳粉分散于300mL去离子水和300mL的无水乙醇组成的混合液中，并通过超声分散、剪切乳化方式进行均匀分散。
2)将100uL吡咯单体加入到上述溶液中继续搅拌1h后加入300mg过硫酸铵，得到碳载体表面负载有聚吡咯的复合载体。
3)继续将1.5g的六水合硝酸钴加入到上述混合液中搅拌1h，然后将氨水缓慢滴加至混合液中，使得混合液pH为9，过滤、清洗得到滤饼，将其转移至真空干燥箱中150℃的温度下真空干燥24h，待冷却后，进行研磨得到碳黑、聚吡咯、和氢氧化钴的复合物粉末。
4)将上述第3步的复合物粉末放入气氛炉中，使用20％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温3h；其中，气氛炉的升温速率为1℃/min，等到降温得到碳黑、部分碳化聚吡咯、和单质纳米钴的复合物粉末。
5)将上述第4步的复合物粉末通过超声分散、剪切乳化方式分散于400mL的乙二醇溶液中，然后将134mL的氯铂酸溶液(10g氯铂酸溶解于1L的乙二醇)倒入，并用1mol/L的NaOH(乙二醇为溶剂)调节pH至11，并继续剪切1h；然后通过150℃油浴回流8h，待冷却至室温后用盐酸调节pH至2，继续搅拌30min；用氨水调节pH至8，然后正压过滤清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中100℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到碳黑、部分碳化聚吡咯、铂壳和氢氧化钴的复合材料。
6)将上述第5步的复合材料放入气氛炉中，使用5％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温5h；其中，气氛炉的升温速率为1℃/min，等到降温得到碳黑、碳化聚吡咯、铂壳负载有单质纳米钴的复合物粉末。
7)将上述第6步的复合材料放入高纯氮气的气氛炉中800℃合金化处理3h，升温速率为5℃/min，等到降温得到复合碳材料、纳米合金催化剂以及没有合金化的单质钴的复合物。
8)将上述第7步的复合物放入500mL浓度为1mol/L的硝酸溶液中，在90℃水浴中回流24h，随后正压过滤，用大量去离子水清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中50℃真空干燥12h；最后，将干燥后的材料研磨即得到铂钴合金催化剂。
实施例2
1)取450mg科琴黑EC300碳粉分散于300mL去离子水和300mL的无水乙醇组成的混合液中，并通过超声分散、剪切乳化方式进行均匀分散。
2)将100uL苯胺单体加入到上述溶液中继续搅拌1h后加入300mg过硫酸铵，得到碳载体表面负载有聚苯胺的复合载体。
3)继续将1.5g的六水合硝酸镍加入到上述混合液中搅拌1h，然后将氨水缓慢滴加至混合液中，使得混合液pH为9，过滤、清洗得到滤饼，将其转移至真空干燥箱中150℃的温度下真空干燥24h，待冷却后，进行研磨得到碳黑、聚苯胺、和氢氧化镍的复合物粉末。
4)将上述第3步的复合物粉末放入气氛炉中，使用20％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温3h；其中，气氛炉的升温速率为1℃/min，等到降温得到碳黑、部分碳化聚苯胺、和单质纳米钴的复合物粉末。
5)将上述第4步的复合物粉末通过超声分散、剪切乳化方式分散于400mL的乙二醇溶液中，然后将134mL的氯铂酸钾溶液(9.407g氯铂酸钾溶解于1L的乙二醇)倒入，并用1mol/L的NaOH(乙二醇为溶剂)调节pH至11，并继续剪切1h；然后通过150℃油浴回流8h，待冷却至室温后用盐酸调节pH至2，继续搅拌30min；用氨水调节pH至8，然后正压过滤清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中100℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到碳黑、部分碳化聚苯胺、铂壳和氢氧化镍的复合材料。
6)将上述第5步的复合材料放入气氛炉中，使用5％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温5h；其中，气氛炉的升温速率为1℃/min，等到降温得到碳黑、碳化聚苯胺、铂壳负载有单质纳米钴的复合物粉末。
7)将上述第6步的复合材料放入高纯氮气的气氛炉中800℃合金化处理3h，升温速率为5℃/min，等到降温得到复合碳材料、纳米合金催化剂以及没有合金化的单质镍的复合物。
8)将上述第7步的复合物放入500mL浓度为2mol/L的硝酸溶液中，在90℃水浴中回流24h，随后正压过滤，用大量去离子水清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中150℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到铂镍合金催化剂。
实施例3
1)取300mg氧化石墨烯分散于300mL去离子水和300mL的无水乙醇组成的混合液中，并通过超声分散、剪切乳化方式进行均匀分散。
2)将400uL苯胺单体加入到上述溶液中继续搅拌3h后加入300mg无水氯化铁，得到碳载体表面负载有聚苯胺的复合载体。
3)继续将2.0g的无水氯化铁加入到上述混合液中搅拌1h，然后将氨水缓慢滴加至混合液中，使得混合液pH为10，过滤、清洗得到滤饼，将其转移至真空干燥箱中200℃的温度下真空干燥24h，待冷却后，进行研磨得到碳黑、聚苯胺、和氢氧化铁的复合物粉末。
4)将上述第3步的复合物粉末放入气氛炉中，使用5％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温3h；其中，气氛炉的升温速率为1℃min，等到降温得到碳黑、部分碳化聚苯胺、和单质纳米铁的复合物粉末。
5)将上述第4步的复合物粉末通过超声分散、剪切乳化方式分散于400mL的正丙醇溶液中，然后将134mL的硝酸铂溶液(6.15g硝酸铂溶解于1L的正丙醇)倒入，并用1mol/L的NaOH(正丙醇为溶剂)调节pH至10，并继续剪切1h；然后通过185℃油浴回流8h，待冷却至室温后用硝酸调节pH至2，继续搅拌30min；用氨水调节pH至8，然后正压过滤清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中100℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到碳黑、部分碳化聚苯胺、铂壳和氢氧化铁的复合材料。
6)将上述第5步的复合材料放入气氛炉中，使用20％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温5h；其中，气氛炉的升温速率为5℃/min，等到降温得到碳黑、碳化聚苯胺、铂壳负载有单质纳米铁的复合物粉末。
7)将上述第6步的复合材料放入高纯氮气的气氛炉中700℃合金化处理3h，升温速率为1℃/min，等到降温得到复合碳材料、纳米合金催化剂以及没有合金化的单质铁的复合物。
8)将上述第7步的复合物放入100mL浓度为2mol/L的硝酸溶液中，在90℃水浴中回流24h，随后正压过滤，用大量去离子水清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中200℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到铂铁合金催化剂。
实施例4
1)将500uL苯胺单体加入到400mL去离子水和400mL无水乙醇的混合溶液中搅拌3h后加入500mg无水氯化铁，得到聚苯胺。
2)继续将1.0g的无水氯化铁加入到上述混合液中搅拌1h，然后将氨水缓慢滴加至混合液中，使得混合液pH为10，过滤、清洗得到滤饼，将其转移至真空干燥箱中200℃的温度下真空干燥24h，待冷却后，进行研磨得到聚苯胺和氢氧化铁的复合物粉末。
3)将上述第2步的复合物粉末放入气氛炉中，使用5％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温3h；其中，气氛炉的升温速率为1℃/min，等到降温碳化聚苯胺和单质纳米铁的复合物粉末。
4)将上述第3步的复合物粉末通过超声分散、剪切乳化方式分散于400mL的正丙醇溶液中，然后将134mL的氯铂酸溶液(10g氯铂酸溶解于1L的正丙醇)倒入，并用1mol/L的NaOH(正丙醇为溶剂)调节pH至11，并继续剪切1h；然后通过100℃油浴回流24h，待冷却至室温后用硝酸调节pH至2，继续搅拌60min；用氨水调节pH至8，然后正压过滤清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中100℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到碳化聚苯胺和氢氧化铁的复合材料。
5)将上述第4步的复合材料放入气氛炉中，使用20％氢气含量的氢气和氮气的混合气在500℃保温5h；其中，气氛炉的升温速率为5℃/min，等到降温得到碳化聚苯胺负载有单质纳米铁的复合物粉末。
6)将上述第5步的复合材料放入高纯氮气的气氛炉中900℃合金化处理3h，升温速率为5℃/min，等到降温得到复合碳材料、纳米合金催化剂以及没有合金化的单质铁的复合物。
7)将上述第6步的复合物放入200mL浓度为2mol/L的硝酸溶液中，在70℃水浴中回流24h，随后正压过滤，用大量去离子水清洗得到滤饼，并将其转移至真空干燥箱中200℃真空干燥24h；最后，将干燥后的材料研磨即得到铂铁合金催化剂。
由上述实施例的结果，可以看到，本发明具有三个明显的优点：
第1、导电聚合物在前期和碳载体进行复合，为金属粒子的附着提供更好的位点，使得过渡金属的沉淀能够更加均匀的沉积在碳材料表面，可以增加催化剂的活性；
第2、导电聚合物在后面高温退火后被碳化，同时为碳表面提供了大量的氮源，进而实现碳的掺氮化，提高催化剂的耐久性；
第3、制备出来的Pt壳在内表面和外表面都可实现较为均匀的非贵过渡金属的合金化，合金化表面越大，催化剂活性越高。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例所公开的内容后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求书指出。
Claims (10)
1.一种高活性原位氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂的制备方法，包括：
步1)制备负载有非贵过渡金属单质的碳载体；
步2)在步1)所制备的碳载体中，制备Pt包覆非贵过渡金属的催化剂前驱体；
步3)在完成步2)后，制备非贵过渡金属氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体；
步4)在完成步3)后，制备铂基核壳催化剂，得到氮掺杂碳载体负载铂基合金催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，所述步1)制备负载有非贵过渡金属单质的碳载体，包括：(1)碳材料均匀分散到去离子水和乙醇按1:1比例的混合液中；(2)将吡咯或者苯胺单体和碳材料溶解分散；(3)加入氧化剂使得吡咯或者苯胺单体在碳材料表面进行聚合形成聚合物包覆的碳载体；(4)将非贵过渡金属前驱体在聚合物表面进行原位络合；(5)用氨水调pH，使得所述碳载体均匀负载有所述非贵过渡金属的氢氧化物沉淀；(6)放入还原气氛的气氛炉中在高温还原得到负载有所述非贵过渡金属的碳载体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，所述步2)制备Pt包覆非贵过渡金属的催化剂前驱体，包括：(1)将Pt的前驱体和所述负载有所述非贵过渡金属的碳载体在有机溶剂中进行混合；(2)用NaOH或者KOH调节pH至碱性，然后放入油浴锅中回流处理，在回流结束温度降至室温后用无机酸调节pH至酸性并搅拌适当时间，得到Pt包覆所述非贵过渡金属的催化剂前驱体。
4.根据权利要求1所述的制备方法，所述步3)制备非贵过渡金属氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体，包括：(1)将上述步2)，在搅拌状态下用氨水调节pH至碱性，然后正压过滤得到滤饼；(2)所述滤饼用大量乙醇和去离子水清洗后，放入真空干燥箱中干燥10h以上；(3)将干燥后的滤饼进行研磨，得到氢氧化物沉淀包覆在Pt颗粒表面的催化剂前驱体粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，所述步4)制备铂基核壳催化剂，包括：(1)将上述步3)得到的所述的催化剂前驱体放入还原气氛的气氛炉中进行退火处理，并在惰性气氛中继续进行高温合金化处理；(2)用无机酸溶液水浴清洗，正压过滤并用大量去离子水清洗；(3)将滤饼放入真空干燥箱中干燥10h以上后，研磨所述滤饼得到铂基核壳催化剂。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，在1)步中，所述非贵过渡金属为Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的一种或多种；
所述碳材料包括：碳纤维、中间相碳微球、天然石墨、玻璃碳、碳碳复合材料、硬碳、多孔活性炭、高取向石墨、炭黑、金刚石、碳纳米管、富勒烯或石墨烯；
所述氧化剂包括：三氯化铁、过硫酸铵、过氧化氢或氯化铜，氧化剂和吡咯或者苯胺单体物质量的比为1:2～10:1；
所述碳材料和聚合物的质量比为100:1～10:1；
所述非贵过渡金属前驱体包括：Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的一种或多种的可溶解性盐；
所述氨水调pH为8～11；还原气氛是浓度为5％～20％的氢气或者一氧化碳与惰性气体的混合气，气氛炉的热处理温度为350℃～600℃。
7.根据权利要求1或3所述的制备方法，在2)步中，所述Pt的前驱体包括：氯铂酸，氯铂酸钾，氯铂酸钠或硝酸铂；所述有机溶剂包括：乙醇、异丙醇、正丙醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或乙二醇；所述NaOH或者KOH调节pH至碱性范围为8～11；油浴锅中回流温度范围为80℃～200℃；无机酸包括：硝酸，无机酸调节pH范围为2～6。
8.根据权利要求1或4所述的制备方法，在3)步中，所述氨水调节pH范围为8～11；清洗至滤液在加入硝酸银后无明显沉淀；真空干燥箱的温度为40℃～200℃。
9.根据权利要求1或5所述的制备方法，所在4)步中，所述还原气氛是浓度为5％～20％的氢气或者一氧化碳与惰性气体的混合气，气氛炉的热处理温度为350℃～600℃；合金化高温为500℃～1000℃；惰性气氛为高纯氮气或氩气；无机酸为硝酸；水浴温度为50℃～95℃；真空干燥箱的温度为40℃～200℃。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的制备方法，其用于燃料电池的用途。
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