一种燃料电池用氮掺杂碳载体载铂铜催化剂的制备方法

本发明涉及一种燃料电池用催化剂及其制备方法，该催化剂为氮掺杂碳载体载铂铜氧还原催化剂，属于电化学领域。

背景技术：

1、化石能源是人类获取能源的重要方式。然而化石能源不可再生，且在开采和使用的过程中排放大量温室气体以及有害物质，对地球生态环境造成了巨大的破坏。氢能具有高效、清洁、可持续等优点，是目前最有潜力的新能源。利用氢能的最佳装置为燃料电池。燃料电池由于阴极氧还原反应缓慢，需要大量使用铂金属，严重阻碍了燃料电池的商业化进程。减少铂的使用提高铂催化剂的活性是降低燃料电池成本，推进大规模商业化的关键。

2、将铂金属与过渡金属进行合金化是提升催化剂性能的有效策略，其中过渡金属能够调节铂的d带能级加快了氧气的吸收与活化，在提升催化剂性能的同时也减少了铂的用量。

3、载体对燃料电池催化剂性能具有较大地影响。碳载体由于其大比表面积，高的电导率等优点被广泛地用作pt基催化剂载体。然而碳载体表面惰性、富含杂质等缺点导致pt金属纳米颗粒脱落和聚集，从而限制pt催化剂性能。

4、将氮原子掺杂到碳黑载体中可以增强pt与载体间的相互作用力，分散pt基纳米金属颗粒，从而有效地提升催化剂的活性与稳定性。壳聚糖作为一种生物质，其价格低廉、来源广泛，且其具有较为合适的氮原子含量，是一种优秀的氮掺杂碳载体前驱体材料。在碳化后制备成氮掺杂载体时能够较好的负载金属，提升催化剂的活性以及稳定性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种制备简单、成本较低、pt利用率高、高催化活性和稳定性好的燃料电池催化剂。

2、为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：

3、一种燃料电池用铂铜催化剂，具体为一种燃料电池用氮掺杂碳载体载铂铜催化剂，由氮掺杂载体和活性组分构成，其质量百分比组成为：氮掺杂载体碳：70％～90％，铜：1～10％，铂：9～20％。

4、铂铜合金中，铂和铜的摩尔比为4:1～1:1，优选3:1。

5、氮掺杂材料碳化温度为700～900℃。

6、本发明的另一目是提供一种氮掺杂载体载铂铜氧还原催化剂的制备方法。

7、一种氮掺杂载体载铂铜氧还原催化剂的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)称取壳聚糖放入烧杯中与去离子水混合超声分散，将壳聚糖溶液置于高压反应釜中，在200℃下保温6h，待反应结束后将产物洗涤、抽滤、烘干、研磨，待用；

9、(2)将(1)产物与氯化锌混合研磨均匀后放入真空管式炉中在氮气气氛下高温煅烧2h(升温速率5℃/min)，将所得产物用洗涤数次，烘干、研磨、得到氮掺杂碳载体材料。

10、(3)将掺杂碳载体材料加入到铂盐与铜盐溶液中，搅拌、还原得到所述铂铜催化剂；

11、本发明燃料电池用氮掺杂碳载体载铂铜氧还原催化剂制备方法主要包括以下三个步骤：首先将壳聚糖粉末水热预处理；然后将上述预处理的壳聚糖与氯化锌以不同比例混合研磨载在不同温度下碳化得到氮掺杂碳载体材料；最后通过硼氢化钠还原法将铂铜负载到氮掺杂碳载体上，从而获得氮掺杂碳载体载铂铜氧还原催化剂。

12、步骤(1)壳聚糖与去离子水质量比为1:15。

13、步骤(2)预处理后的壳聚糖与氯化锌质量比为1:1，煅烧温度为700、800、900℃，优选800℃碳化2h。

14、步骤(2)煅烧均氮气气流下进行。

15、步骤(3)所述氮掺杂碳材料、铜盐与铂盐质量分别为80mg、20mg。所述铂盐优选h2ptcl6，质量浓度为1g/50ml；所述可溶性铜盐优选cu(no3)2，质量浓度浓度为1g/50ml。

16、本发明实施例制备的铂铜合金催化剂用于燃料电池领域。

技术特征：

1.一种燃料电池用铂铜催化剂，具体为一种燃料电池用氮掺杂碳载体载铂铜催化剂，由氮掺杂载体和活性组分构成，其质量百分比组成为：氮掺杂载体碳：70％～90％，铜：1～10％，铂：9～20％。

2.根据权利要求1所述一种铂铜合金催化剂，其特征在于所述铂铜合金中，铂和铜的摩尔比为4:1～1:1，优选3:1。

3.根据权利要求1氮掺杂材料碳化温度为700～900℃。

4.一种权利要求1～3任一项所述铂铜合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)所述壳聚糖与去离子水质量比为1:15。

6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(2)所述预处理后的壳聚糖与氯化锌质量比为1:1，煅烧温度为700、800、900℃，优选800℃碳化2h。

7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)煅烧均氮气气流下进行。

8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于步骤(3)所述氮掺杂碳材料、铜盐与铂盐质量分别为80mg、20mg。所述铂盐优选h2ptcl6，质量浓度为1g/50ml；所述可溶性铜盐优选cu(no3)2，质量浓度浓度为1g/50ml。

9.权利要求1～3任一项所述铂钴合金催化剂在燃料电池领域的应用。

技术总结
本发明涉及一种铂铜合金催化剂、制备方法及其应用，属于电化学技术领域；该催化剂包括载体与活性组分，所述载体氮掺杂碳材料，所述活性组分为铂铜合金，质量百分比组成为：载体：70～90％，余量为铂铜合金。本发明通过热解壳聚糖制备氮掺杂碳载体，通过硼氢化钠还原法进行负载金属制备催化剂，其中氮加强了金属活性组分与载体间的相互作用，分散了金属纳米颗粒，提升了催化剂的活性与稳定。

技术研发人员：朱红,桂福生
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15