[发明专利]一种氮掺杂碳担载粒径均一的低铂金属球形纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明属于金属电催化剂技术领域，涉及一种氮掺杂碳担载粒径均一的低铂金属球形纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。所述方法将铂金属盐、M金属盐、含氮配体分散于溶剂中，超声得到均一溶液；将此均一溶液置于水浴中，20～90℃搅拌；加入分散在溶剂中的碳载体，超声后在20～120℃搅拌蒸干溶剂，得到黑色混合物；烘干、研磨后，在惰性气氛中、200～1100℃条件下碳化0.1～3h；将惰性气体换成还原性气体，刻蚀附着在金属颗粒表面的沉淀物即得。本发明制备方法无需使用表面活性剂，所制备的氮掺杂碳担载粒径均一的低铂金属球形纳米颗粒电催化剂具有较高的电催化活性，适用于氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化反应。

技术领域

本发明属于金属电催化剂技术领域，涉及一种氮掺杂碳担载粒径均一的低铂金属球形纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。

背景技术

对于H₂-O₂型氢氧根交换膜燃料电池，阴极进行氧还原反应(1/2O₂+H₂O+2e^-→2OH^-)，产生的OH^-经氢氧根交换膜传递至阳极侧。在阳极侧燃料H₂完成氢氧化反应(H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-)，使得燃料H₂中的化学能转化为电能。近几年，随着高性能氢氧根交换膜以及阴极ORR电催化剂的开发，氢氧根交换膜燃料电池有望替代质子交换膜燃料电池，成为下一代高效、低成本能源转换装置。然而氢氧根交换膜燃料电池的商业化也存在一些问题，比如阳极氢氧化反应速率要比质子交换膜燃料电池低1-2个数量级。因此，开发高性能、低成本的氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化电催化剂，尤其促使金属球形纳米颗粒均匀地分散在碳载体上且通过引入其他廉价金属调变Pt的电子结构或增加其他活性位点以提高Pt的利用率已成为了氢氧交换膜燃料电池领域内的一个新的研究热点。

Lu等将Pt、Ni金属盐前驱体、表面活性剂、溶剂混合进行高温反应；离心、洗涤、载碳得到碳担载的高分散PtNi金属球形纳米颗粒电催化剂。但是表面活性剂的使用会覆盖部分的Pt活性位，且制备的PtNi/C电催化剂中Pt组分含量一直较高(Pt/(Pt+Ni)：80wt％)，因此，制备的PtNi/C电催化剂的碱性氢氧化质量比活性不高(470A g_Pt^-1，Journal of theAmerican Chemical Society,2017,139,5156-5163)。

李程程等以杜梨杆水提物为稳定剂、还原剂制备粒径均一的贵金属球形纳米颗粒，且合成时无需添加其他化学试剂，但是制备得到的贵金属球形纳米颗粒尺寸较大(Au:52.2nm)，不利于提高贵金属的利用率(专利申请号：201910122391.7)。万颖将低阶酚醛树脂、表面活性剂F127和氮源混合煅烧得到氮掺杂介孔碳；然后浸渍钯盐、通入H₂还原金属盐，得到金属颗粒粒径小且分散均匀的氮掺杂碳担载的贵金属球形纳米颗粒材料。但是低阶酚醛树脂合成时使用较多毒性大的化学试剂，危害坏境(专利申请号：201910361025.7)。张程伟等使用废弃的烟蒂滤芯作为碳源以及氮源，一步生成氮掺杂的多孔碳材料；然后浸渍铂盐、镍盐，气相还原得到高性能氮掺杂多孔碳负载PtNi合金颗粒甲醇燃料电池催化剂，但是氮掺杂多孔碳合成步骤复杂，不利于大规模生产(专利申请号：201811001681.8)。

综上所述，已报道的文章中碱性氢氧化电催化剂或已报道的专利中氮掺杂碳负载纳米金属催化剂的合成方法多需使用环境不友好的表面活性剂或化学试剂；合成步骤复杂或得到贵金属球形纳米颗粒利用率不高。因此，研究适用于氢氧根交换膜燃料电池阳极的氢氧化钠反应具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而用于氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化反应的氮掺杂碳担载粒径均一的低铂金属球形纳米颗粒电催化剂的制备方法及应用。

为实现上述发明目的，本发明采用技术方案：