[发明专利]一种燃料电池用高稳定性，高活性碳载Pt基催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其是涉及一种燃料电池用高稳定性，高活性碳载Pt基催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种高效无污染的能量转换装置，自1839年Gove首次提出这一概念以来，已经得到了很大程度的关注。在诸多已经投入生产的燃料电池种类中，质子交换膜燃料电池由于具有能量密度高，运行温度低的特点而使其应用最为广泛。尽管如此，此种燃料电池的催化剂性能仍有待提高，尤其是稳定性方面。目前的研究表明，此种燃料电池的催化剂性能衰减机制主要集中在以下几点：1)Pt颗粒在载体表面的迁移团聚；2)Pt颗粒的溶解再沉积；3)碳载体的腐蚀造成Pt颗粒的脱落。针对于3)许多研究者选择将碳载体石墨化，或者使用sp²型碳结构含量更高的碳载体(如碳纳米管，碳纳米纤维等)来替换多孔碳。但这两种方法都存在增加生产成本及制备过程耗能较大的问题。

由于氮掺杂碳载体负载过渡金属催化剂对氧还原反应具有高活性和高选择性，近些年来有关这一方面的研究成为了热点。Hideharu N等人指出，在氮掺杂的碳材料中，氮原子以下面三种化学态存在：嘧啶型、吡咯型和石墨型。纳米碳材料含嘧啶型氮原子越多，对氧还原的催化活性越好。

目前，有关氮掺杂碳材料的合成主要分为：1)原位掺杂，即在合成碳材料的同时掺杂氮；2)后掺杂，即用含氮的前驱体对成品碳材料进行后处理。针对后掺杂，主要是：1)在含氮的气氛中对纳米碳材料进行热处理，常用的含氮气体有NH₃，双嘧啶，乙氰等；2)在氧化处理后的碳材料表面合成富含氮的聚合物树脂，然后再惰性气氛中热解。此两类后掺杂方法都存在使用环境不友好的有机物(如乙氰)作为氮源，而且需惰性气体保护条件下高温1000℃左右热解，反应温度高，对设备要求高，从而导致制备过程不易，耗能较大及环境污染的问题，现有名称为《The role of nitrogen in a carbon support on the increased activity and stability of a Pt catalyst in electrochemical hydrogen oxidation》的文献，该文献也采用了上述的氮掺杂方法，且该文献中使用的载Pt方法是NaBH₄还原法，采用该载Pt方法和上述的氮掺杂方法制备的催化剂粒径为4.2nm左右，颗粒尺寸分布宽，说明Pt的利用率不高，进而催化剂的质量比活度不高，催化活性较差，且该催化剂的电化学活性面积ESA为66m²/gPt左右，活性较低，动电位老化500圈后电化学活性面积ESA值变化了21％，循环稳定性较差，因此制备一种燃料电池用高稳定性，高活性的催化剂是有必要的。

发明内容

本发明为解决现有燃料电池中所用催化剂稳定性不高、催化活性不高、循环稳定性差以及制备过程不易，耗能较大及环境污染的问题，而提供一种燃料电池用高稳定性，高活性碳载Pt基催化剂的制备方法。

本发明的一种燃料电池用高稳定性，高活性碳载Pt基催化剂的制备方法按以下步骤进行：

一、碳载体的前处理：对碳载体表面进行清理除杂或者对碳载体进行氧化处理，得到处理后的碳载体；

二、碳载体上碳氮杂环结构的引入：按步骤一的处理后的碳载体和含碳氮杂环结构化合物的质量比为1∶(1～100)，按步骤一的处理后的碳载体的质量与去离子水的体积的比为1g∶(80～100)mL，按有机溶剂与去离子水的体积比为1∶1，先将步骤一的处理后的碳载体和含碳氮杂环结构化合物混合后，然后加入去离子水和有机溶剂，在超声频率为50KHz～60KHz的条件下，处理0.5h～1.5h，再于室温下，以搅拌速度为100r/min～500r/min，搅拌1.5h～2.5h，调节pH值为1～4或者8～12后转移到水热反应釜中，通入惰性气体20min～40min后，于温度为100～200℃的条件下反应1～24h，冷却至室温后进行抽滤，对固体物质用水洗涤4～6次，最后在温度为70～90℃的真空条件下，干燥4～6h，完成碳载体上碳氮杂环结构的引入，得到含碳氮杂环结构的碳载体，其中所述的含碳氮杂环结构化合物为维生素B族化合物；其中所述的洗涤时所用水的电阻率为16MΩ·cm～18.25MΩ·cm；