[发明专利]一种直接甲醇燃料电池Fe-S-N共掺杂石墨烯载Pt催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种直接甲醇燃料电池Fe‑S‑N共掺杂石墨烯载Pt催化剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：1）热处理酞菁铁四磺酸钠功能化石墨烯GR来一步制备Fe‑S‑N共掺杂GR复合材料；2）然后以步骤1）制备的复合材料为载体沉积蠕虫状Pt纳米颗粒，即制得Fe‑S‑N共掺杂GR载Pt催化剂。这种方法工艺简单、操作条件温和可控，具有良好的应用前景，运用这种方法制备的Pt催化剂能增强催化纳米颗粒与Fe‑S‑N共掺杂GR载体之间的协同耦合效应、能提高催化剂对甲醇氧化和氧还原反应的电催化活性，且表现出优良的电化学稳定性和抗CO毒化的能力。

技术领域

本发明涉及电催化和燃料电池领域，具体是一种直接甲醇燃料电池Fe-S-N共掺杂石墨烯载Pt催化剂及其制备方法。

背景技术

目前，直接甲醇燃料电池阳极和阴极电催化剂较高的成本和较低的电催化性能仍是阻碍其大规模商业化应用的主要因素。因此，如何提高催化剂中贵金属Pt的利用效率和电催化性能一直是该领域研究的热点问题。

电催化剂中Pt纳米颗粒的尺寸、分散度和利用效率与所用的催化剂载体及其表面性质密切相关。尽管碳载Pt基电催化剂被广泛用作直接甲醇燃料电池的阳极和阴极电极材料，但由于受载体碳黑中孔尺寸小、电化学稳定性差等因素的影响，该催化剂的低Pt利用效率和较差的电催化性能仍有待于提高。石墨烯具有较高的比表面积、突出的导电导热性能和力学性能以及非凡的电子传递性能等优异的物理和化学性质，而在燃料电池电催化剂制备领域受到了广泛关注。然而，结构完整的石墨烯化学稳定性高，其表面呈惰性状态，缺乏足够的表面活性位点来固定催化剂前驱体，从而导致催化剂纳米颗粒的不均匀分散和团聚，这显然给石墨烯基燃料电池催化剂的构建带来了极大的困难。因此，活化石墨烯表面以改善其表面性质和分散性能仍然是人们面临的一大挑战。

近年来的研究发现，在石墨烯表面上引入外来掺杂原子（如：N，B，P和S等）是增强其表面沉积金属纳米颗粒活性的一种有效途径，其中，以两种杂原子共掺杂的石墨烯表面上由于存在协同耦合效应，可以进一步提高燃料电池催化剂的电催化性能，受到了人们的重视。目前，有关这方面的文献报道主要涉及S-N，Fe-N，B-N或I-N共掺杂的石墨烯基复合材料，如：（1）2017年《Journal of Materials Chemistry A》报道了氮和硫共掺杂石墨烯载硫化钴纳米空心球催化剂对氧还原和氧析出反应电催化性能的研究；（2）2016年《Small》报道了铁和氮共掺杂石墨烯催化剂对氧还原反应电催化性能的研究；（3）2013年《AngewandteChemie International Edition》报道了硼和氮两步掺杂石墨烯复合材料催化剂对氧还原反应电催化性能的研究；（4）2015年《ChemSusChem》报道了碘和氮掺杂石墨烯复合材料催化剂对氧还原反应电催化性能的研究。然而，上述的共掺杂石墨烯复合材料均仅含两种掺杂原子，通过对酞菁铁四磺酸钠（TSFePc）功能化石墨烯进行热处理来一步制备Fe-S-N三元共掺杂石墨烯复合材料并将其应用于燃料电池阳极和阴极电催化剂载体的研究尚未见文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供直接甲醇燃料电池Fe-S-N共掺杂石墨烯载Pt催化剂及其制备方法。这种方法工艺简单、操作条件温和可控，具有良好的应用前景，运用这种方法制备的Pt催化剂能增强催化纳米颗粒与Fe-S-N共掺杂GR载体之间的协同耦合效应、能提高催化剂对甲醇氧化和氧还原反应的电催化活性，且表现出优良的电化学稳定性和抗CO毒化的能力。

实现本发明目的的技术方案是：

一种直接甲醇燃料电池Fe-S-N共掺杂石墨烯载Pt催化剂的制备方法，与现有技术不同的是，包括如下步骤：