CN115347202A - 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115347202A
CN115347202A CN202211071057.1A CN202211071057A CN115347202A CN 115347202 A CN115347202 A CN 115347202A CN 202211071057 A CN202211071057 A CN 202211071057A CN 115347202 A CN115347202 A CN 115347202A
Authority
CN
China
Prior art keywords
platinum
fuel cell
layer
based catalyst
cell cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211071057.1A
Other languages
English (en)
Inventor
徐晓明
洪吉超
陈东方
李跃华
胡松
郝宇
胡桐
吴文龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202211071057.1A priority Critical patent/CN115347202A/zh
Publication of CN115347202A publication Critical patent/CN115347202A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明提供了一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法，所述催化剂是以二维单层钛化碳材料为载体，铂纳米颗粒被苯胺以原位还原的方式合成。本发明通过将氯铂酸与苯胺进行还原反应，并在氨气气氛下高温煅烧处理，原位制备得到多种氮掺杂超薄碳层包覆的铂纳米颗粒，并将其与二维单层材料钛化碳进行加热搅拌复合，得到二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂。本发明的制备方法简单环保，避免了有机物残留；本发明制备得到的催化剂其催化活性得到有效提升；本发明制备得到的催化剂具有多功能用途；本发明的制备策略为高性能铂基催化剂的开发制备奠定基础。

Description

一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法。
背景技术
由于社会发展，人们对能源的需求越来越旺盛，过去几百年来人类一直主要依靠以石油、天气热、煤炭为代表的传统化石能源，这些能源都是短时间内不可再生能源，并且也会带来一系列环境污染问题。因此摆脱对传统能源的依赖，实现清洁能源转型已经迫在眉睫。而氢能及氢燃料电池凭借其高效、环保、清洁等优点，引起了人们广泛的关注。其中质子交换膜燃料电池便是其重要组成部分之一，其具有启动快、启动温低、功率匹配速度快、功率密度高等优点。但是质子交换膜燃料电池在阴极的氧气还原反应动力学缓慢(ORR)，导致其发挥效率受限，目前尽管使用贵金属铂催化剂，能够有效提高其阴极反应速率，但其成本高，储量有限。根据美国能源部(DOE)报告指出.质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极铂载量降低至0.1mg cm-2，才能形成和内燃机相比有力的竞争优势。而该数值目前为0.4mg cm-2，所以降低铂的用量，提高铂基催化剂的氧还原催化活性，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明在于克服现有铂基催化剂的缺陷，提供一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法。本发明将铂基催化剂包覆层与载体的优势集中体现，有效提高了催化剂的性能及耐久性，是一种有潜力去提高燃料电池氧还原反应速率的催化剂。
本发明中，铂纳米颗粒表面有氮掺杂碳的超薄包覆层，该包覆层能够有效抑制高电压，高氧气环境下对铂纳米颗粒的溶解与损伤，对铂纳米颗粒起到保护作用，同时碳层中掺杂多种形式的氮元素会优化铂原子的电子传输效率，提高其催化性能；该催化剂采用的载体不是单纯的碳材料，而是以二维单层的钛化碳材料为载体，该载体具有较强的静电吸附作用，能够有效吸附铂纳米颗粒，对铂纳米颗粒有一定的锚定作用，防止铂纳米颗粒的脱落，并且该载体会以氟原子为催化活性位点，能够降低铂纳米颗粒中费米能级的d带，提高其催化剂的催化性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明提供了一种燃料电池阴极铂基催化剂，所述催化剂以二维单层的钛化碳材料为载体，氮掺杂碳包覆的铂纳米颗粒均匀的负载到载体表面。
所述铂基催化剂指的是二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂，即多种结构的氮元素先掺杂到超薄碳层中，然后再包覆在铂纳米颗粒表面，最后将带有包覆层的铂纳米颗粒负载到二维单层的钛化碳材料表面。
优选地，所述铂颗粒粒径约为3～8纳米。
本发明还提供了一种燃料电池阴极铂基催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
a、将铂前驱体与苯胺在室温条件下，磁力搅拌5h。
优选地，所述铂前驱体为氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)。
优选地，所述的苯胺≥99.9％纯度(GC)。
b、在步骤a中得到的溶液进行微孔膜抽滤，并将抽滤得到的紫色粉末，用0.2M的盐酸进行洗涤，将过量的苯胺除去。
优选地，0.2M的盐酸由12M的浓盐酸稀释配置而成。
c、在步骤b得到的产物进行80℃真空干燥过夜。
d、在步骤c得到的产物与二维单层钛化碳材料，按照1：1.2的质量比例分散到乙醇溶液中，并在60℃温度下，超声加热蒸干。
优选地，所述乙醇≥99.7％纯度。
e、在步骤d得到的产物在氮气环境下，进行900℃高温退火处理1h。
本发明以苯胺为还原剂，通过络合反应的方式将铂纳米颗粒原位制备出来，然后将其与二维单层钛化碳材料进行复合，并最后进行退火煅烧处理，制备得到二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂，该催化剂通过多种氮掺杂的超薄碳层与二维单层材料钛化碳载体的协同作用，来提升铂纳米颗粒在燃料电池氧还原反应(ORR)中性能的最大化与耐久性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的制备方法简单环保，避免了有机物残留；本发明制备得到的催化剂其催化活性得到有效提升；本发明制备得到的催化剂具有多功能用途；本发明的制备策略为高性能铂基催化剂的开发制备奠定基础。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例1制备的二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂特征结构；
图2为实施例1制备的二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂的氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，Ar饱和)。
图3为实施例1制备的二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂的线性极化曲线(0.1M,HClO4，O2饱和)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种燃料电池阴极铂基催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1.将120mg氯铂酸与35ml苯胺进行磁力搅拌5h，然后得到紫色分散液。[26]2.将步骤1中的紫色分散液通过微孔滤膜抽滤，得到紫色粉末，并用0.2M的盐酸进行洗涤。
3.将步骤2中的紫色粉末进行置于80℃真空干燥箱，进行干燥过夜。
4.将步骤3中的粉末，在氨气气氛下，900℃煅烧处理1小时。
5.将步骤4中的粉末选取60mg并与50mg二维单层钛化碳材料在30ml乙醇溶液中超声加热至蒸干，得到最终的二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂。
步骤5中，将5mg的催化剂加入到950μl的乙醇分散液中，再滴加50μl的Nafion溶液，制备成催化剂浆料。
步骤6中，将步骤5中的分散液进行60mins超声分散后，取10μl滴加到RDE环盘电极上，自然干燥过夜后成膜。
步骤7中，测试过程中先在电解池中，通半个小时Ar气至饱和，然后在50mV s-1的扫速下，进行CV测试(循环伏安测试)；然后换通O2至饱和，然后在10mV s-1的扫数下，进行LSV测试(线性扫描伏安法)。
实施例1所制备的二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂结构特征如图1所示；氧还原性能测试循环伏安曲线(0.1M HClO4，N2饱和)和线性极化曲线(0.1MHClO4，O2饱和)如图2和图3所示。

Claims (9)

1.一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，所述铂基催化剂是以富含多种可修饰官能团的二维单层钛化碳为载体材料，然后将多种氮掺杂的超薄碳层包覆在铂纳米颗粒表面，最后将包覆处理后的铂纳米颗粒均匀锚定在载体材料表面，合成得到二维单层钛化碳负载氮掺杂超薄碳层包覆铂纳米颗粒催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，催化剂中的二维单层钛化碳载体材料是多层钛碳化铝通过盐酸和氟化锂刻蚀剥离后的单层片状结构，其表面含有多种可修饰的氟原子、氧原子、羟基等多种官能团。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，所述催化剂中的氮元素存在多种结构，具体包含吡啶氮、石墨化氮以及吡咯氮。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，该催化剂所述的超薄碳层为亚纳米级，其厚度约为5～8埃。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，该催化剂中的铂纳米颗粒尺寸为3～8纳米，且能均匀锚定在单层钛化碳载体材料表面，无明显团聚现象。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，铂纳米颗粒是主要催化活性材料；氮掺杂超薄碳包覆层对铂纳米颗粒起到保护和提升催化性能作用；二维单层钛化碳载体材料对铂纳米颗粒起到了均匀分散及锚定的效果。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂，其特征在于，该催化剂具有多功能用途，可转移到质子交换膜上，用于燃料电池阴极催化剂，也可用于电解水制氢。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的燃料电池阴极铂基催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a.将氯铂酸与苯胺进行磁力搅拌形成紫色的溶液；
b.将步骤a制备的紫色溶液进行抽滤分离得到紫色粉末，然后用稀盐酸对其进行2～3次洗涤；
c.将步骤b制备的紫色粉末进行80℃真空干燥过夜；
d.步骤c制备的紫色粉末在氨气气氛下800℃煅烧3h；
e.将二维单层钛化碳为载体材料加入乙醇溶液中，超声、磁力搅拌使其充分分散形成均匀的悬浊液；
f.将步骤d制备的粉末加入到步骤e制备的悬浮液中，并进行60℃加热搅拌蒸干。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池阴极铂基催化剂的制备方法，其特征在于，在合成过程中铂前驱体为氯铂酸、氯铂酸钠、氯铂酸钾、氯铂酸铵、四氯铂酸钾、四氯铂酸铵中的一种或几种；真空干燥过夜的温度为60℃～80℃；煅烧温度为700～900℃；煅烧时间为1～3h；合成过程中的醇溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇中的一种或几种；洗涤方式包括微孔滤膜过滤洗涤、离心洗涤中的一种或几种。
CN202211071057.1A 2022-09-01 2022-09-01 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法 Pending CN115347202A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211071057.1A CN115347202A (zh) 2022-09-01 2022-09-01 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211071057.1A CN115347202A (zh) 2022-09-01 2022-09-01 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115347202A true CN115347202A (zh) 2022-11-15

Family

ID=83956379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211071057.1A Pending CN115347202A (zh) 2022-09-01 2022-09-01 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115347202A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117790826A (zh) * 2023-12-29 2024-03-29 海卓健新能源材料(上海)有限公司 一种铂碳催化剂的三氨基苯辅助连续生产方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117790826A (zh) * 2023-12-29 2024-03-29 海卓健新能源材料(上海)有限公司 一种铂碳催化剂的三氨基苯辅助连续生产方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112186207B (zh) 低铂/非铂复合催化剂及其制备方法
CN111710878A (zh) 一种金属有机框架衍生Co嵌入氮掺杂碳纳米管修饰介孔碳负载铂催化剂的制备方法
CN101515648A (zh) 一种可用于燃料电池的新型膜电极组件,制备方法及其应用
CN110707337B (zh) 一种碳基非贵金属氧还原催化剂的制备方法及应用
WO2021114056A1 (zh) 燃料电池阴极催化剂及其制备方法、膜电极及燃料电池
WO2021103830A1 (zh) 一种具有超低氧气传质阻力的膜电极
CN112142037A (zh) 一种钴、氮掺杂碳纳米管及其制备方法和应用
CN111193043B (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池阳极催化剂及其合成方法
CN114583191A (zh) 一种电沉积制备直接甲醇燃料电池阳极催化剂的方法
CN115347202A (zh) 一种燃料电池阴极铂基催化剂及其制备方法
CN109546166B (zh) 一种Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂及其制备方法
WO2024088284A1 (zh) 一种燃料电池用膜电极及其应用
WO2022099793A1 (zh) 一种orr催化剂材料及其制备方法和用途
CN108336375A (zh) 一种锯齿状金属纳米线-碳基燃料电池催化剂及制备方法
CN111244487B (zh) 一种质子交换膜燃料电池电极催化剂、制备方法及质子交换膜燃料电池
CN113555569B (zh) 一种催化剂前驱体、金属碳基催化剂及其制备方法和应用
CN115472852A (zh) 一种燃料电池析氧催化剂的制备方法及应用
CN109494378B (zh) 一种用于催化燃料电池阴极反应的催化剂的制备方法
CN112701309A (zh) 一种燃料电池稳定性铂碳催化剂及制备方法
KR20220027437A (ko) 전이금속 질화물-탄소 촉매복합체, 이의 제조방법, 상기 전이금속 질화물-탄소 촉매복합체를 포함하는 연료전지용 전극촉매, 상기 전극촉매를 포함하는 연료전지
CN113013430B (zh) 一种以金属杂原子掺杂金属氧化物为载体的铂基催化剂的制备方法
Ye et al. Preparation of Pt/Buckypaper by Surface Modified Multi-Walled Carbon Nanotubes for Oxygen Reduction Reaction in PEMFCs
CN115084606B (zh) 一种燃料电池膜电极及其制备方法和应用
CN114976078B (zh) 质子交换膜燃料电池用铂炭催化剂及其制备方法
WO2023068086A1 (ja) 水素燃料電池アノード用電極触媒

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination