[发明专利]三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂

说明书

本发明涉及一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳材料，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在基底上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。通过以该材料组装的燃料电池展现出优异的电池性能。本发明步骤简单，可控，重现性好，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及金属催化和燃料电池技术领域，具体地，涉及一种三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂。

背景技术

燃料电池是一种通过氧或氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。它的发现已有180年的历史，被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术。燃料电池基于使用的燃料不同，有可能产生极少量二氧化碳和其他物质，对环境的污染较少。其中氢燃料电池由于使用纯氢气作为燃料，产物为水，因而是一种零污染的绿色能源。

虽然目前燃料电池技术已在航空航天和住房交通等领域取得了广泛应用，但燃料电池技术目前仍不够完善，特别是在汽车领域的商业化推广方面仍存在一些困难，这主要是由于其成本仍有待于进一步降低。目前燃料电池广泛使用的铂基催化剂成本高昂，亟需开发价格更低同时催化性能优异的催化剂。催化剂的尺寸、结构、形貌、表面积等对其催化性能，如活性和稳定性等具有至关重要的影响。如何设计具有特定尺寸和结构的燃料电池催化剂是该领域的一个重要挑战。

专利CN102318112B公开了一种磷酸燃料电池用三元铂合金催化剂及其制备方法；CN105409042A公开了一种铂基三元去合金燃料电池催化剂且其表面非铂含量仅为对应的体相含量的20-99％。CN105009336B公开了一种包含铂和钽的二元合金催化剂并用于燃料电池；CN103769086B公开了一种基于真空溅射法和微粉化工艺的碳载铂燃料电池催化剂的制备方法；CN103501896A公开了一种包含促进氢的氧化反应的第一催化材料和促进氧析出的第二催化材料的燃料电池催化剂层。专利CN108270020A公开了一种在炭基底上用氧固定铂单原子催化剂的燃料电池催化剂；CN108339543A公开了一种基于溶剂热合成和聚合物包覆及热处理的高负载量单原子催化剂及其制备方法；CN106944119A公开了一种层状石墨相氮化碳负载单原子金属M催化材料的制备方法；CN107376970A公开了一种单原子铁掺氮多孔碳催化剂及其制备方法与其在催化含氮杂环化合物脱氢氧化反应中的应用；CN108686680A公开了一种贵金属单原子负载于硫化镉纳上的复合材料及其制备方法和在光解水产氢中的应用。

以上现有技术中只是单纯的介绍了关于燃料电池催化剂材料和单原子催化材料的相关技术，但是关于三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂未见有公开报道。这些技术与本发明的主要区别在于：催化剂材料不同，本发明中主要涉及三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂，作为一种亚纳米尺度的材料，它是介于单原子与纳米粒子之间的物种。本发明的材料为一种亚纳米尺度的三原子团簇以及含该材料的燃料电池催化剂应用。具体地，该材料中的三原子金属团簇通过氮原子锚定在碳基底上，形成了过渡金属三原子团簇与氮共掺杂的碳基，从而产生了较为稳定的三原子团簇，且能均一地分散在基底上。该三原子团簇结构能极大地暴露活性位点，展示出优异的氧还原反应催化活性和稳定性。利用该材料作为催化剂的燃料电池也表现出了优异的电池性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种三原子级分散的金属团簇负载氮掺杂纳米碳燃料电池催化剂以及该材料在燃料电池中的应用。该三原子金属团簇材料具有优异的氧还原活性，在燃料电池测试中表现出优异的电池性能。该材料重现性好，产率高，成本较低，适合于工业化生产。

本发明的目的及解决其技术问题采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种三原子级分散的金属团簇燃料电池催化剂，所述催化剂包含三原子金属团簇和氮掺杂纳米碳材料，所述三原子金属团簇中的金属是以三原子团簇形式分散在氮掺杂纳米碳上，所述氮掺杂纳米碳包含碳源和氮源，所述三原子金属团簇负载于所述氮掺杂纳米碳上。