[发明专利]一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂及其制备方法和应用，该制备方法包括如下步骤：S1.将质量份比为1～20：0.5～15：0.1～5：0.1～10的苯胺、吡咯或噻吩中的一种或二种以上的聚合单体、络合剂、氧化剂和金属盐溶于溶剂，在0～5℃条件下同时进行聚合及络合反应；S2.将步骤S1制得的样品干燥，在保护性气体的氛围下，将干燥样品烧结、洗涤和干燥制得非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂。该方法同时进行聚合和络合反应，高度分散金属盐，形成超小纳米颗粒，获得高比表面积从而提高催化活性。本发明制得的催化剂应用于电催化析氢反应，具有较高的催化活性和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电解水催化技术领域，更具体地，涉及一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

目前应用于析氢的电催化剂主要为铂基催化剂，尽管具有优秀的析氢性能，但循环稳定性和制备过程的复杂性及高昂的成本限制其大规模使用。因此寻找一种简便的制备方法，适合大规模生产，并减少贵重金属的使用量，进一步改善催化活性仍然迫在眉睫。

中国专利CN201210330852.8公开了一种用于燃料电池阴极电催化剂及其制备和应用，所述催化剂是以导电聚合物为反应前驱体，在酸性、氧化条件聚合得聚苯胺后加入过渡金属盐、含磷化合物和/或含硼化合物烧结后制得电催化剂，其中金属与导电聚合物的摩尔比为1:100～1:10。该制备方法减少了贵重金属的使用量，但聚合得到聚苯胺之后再与金属盐反应得到电催化剂，聚合物不具有三维疏松结构，在烧结过程会导致金属盐离子团聚，不利于改善催化活性。因此亟需寻找一种进一步改善催化活性的析氢电催化剂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有析氢电催化剂的催化活性不佳的缺陷和不足，提供一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂的制备方法，该析氢电催化剂在制备过程形成了三维疏松有机聚合物，避免了金属盐离子团聚，并具有高比表面积，催化活性强，采用一锅法，简便，适合大规模生产。

本发明的另一目的是提供一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂。

本发明的又一目的是提供一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1.将质量份比为1～20：0.5～15：0.1～5：0.1～10的苯胺、吡咯或噻吩中的一种或二种以上的聚合单体、络合剂、氧化剂和金属盐溶于溶剂，在0～5℃条件下同时进行聚合及络合反应；

S2.将步骤S1制得的样品干燥，在保护性气体的氛围下，将干燥样品烧结、洗涤和干燥制得非金属共掺杂的碳负载金属纳米颗粒催化剂。

本发明将苯胺、吡咯或噻吩中的一种或二种以上的聚合单体作为有机聚合物前驱体，首先将其和络合剂混合均匀，目的是为了使络合剂中带负电基团(如磷酸基团、羧酸基团)与聚合单体中正电基团(如-N⁺H-)发生正电吸附。当氧化剂加入后，使得聚合单体发生缩聚反应，由于静电吸附使得络合剂嵌入有机聚合物分子层，形成了三维疏松有机聚合物，同时金属盐离子与络合剂发生络合反应后能高度分散在有机聚合物内层和外层，避免后续烧结过程导致更多离子团聚。另外，三维有机聚合物在烧结过程与络合剂含氧基团发生化学反应形成CO₂，该气体促进了疏松多孔结构形成，使得最后获得催化剂具有高比表面积，从而暴露更多的催化位点。

优选地，步骤S1的具体操作为：

将苯胺、吡咯或噻吩中的一种或二种以上的聚合单体与络合剂加入到溶剂中搅拌混合，形成均匀溶液，然后向溶液中加入氧化剂和金属盐溶液同时放入0～5℃条件下以一定速率搅拌2～10h，得到混合物料。