[发明专利]B,N掺杂碳负载Pt3Fe合金纳米催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂、制备方法及应用，包括如下步骤：1）、将炭黑、硼酸、三聚氰胺、乙酰丙酮铂和六水三氯化铁分散于溶液中搅拌4‑8h，得到均匀溶液，将所得溶液进行干燥，所得干燥产物在惰性气氛下煅烧，所获得的黑色粉末酸处理，经离心、干燥得到B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂。本发明利用B和N掺杂的碳基底，有效的分散了Pt₃Fe合金纳米催化剂，该催化剂在全pH范围内均表现出优异的析氢性能，且酸性条件下具有优异的氧还原性能。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂、制备方法及应用。

背景技术

随着化石燃料的枯竭和日益严重的环境污染，对清洁、可持续的、生态友好的能源的追求，已经成为研究的一个主要焦点。电催化是材料科学领域研究最多的课题之一，因为它广泛地涉及到许多与能量相关的重要过程，如燃料电池的氧还原反应（ORR）、绿色制氢的析氢反应（HER）。贵金属催化剂Pt被认为是ORR、HER最优异的催化剂，其催化作用非常高效，具有极高的反应动力学。但是，其高材料成本和稀缺的储量，仍然是一个挑战，开发高效、耐用的低铂催化剂对于可持续和大规模的清洁能源装置的实施是非常理想的。因此，高性能催化剂得到了广泛的研究，包括PtM合金（M=Fe、Co、Ni等）、纳米结构的Pt基纳米晶（NCs）（如核/壳结构、骨架结构和纳米线），以及由地球丰富的金属制备的催化剂。研究最多的催化剂来自于第一排过渡金属如PtNi、PtCo和PtFe合金。

杂原子掺杂被认为是调节催化剂电子结构最有效的方法之一。Ren等人报道了一种新颖的碳纳米管负载B掺杂CoP纳米粒子的电催剂，B原子掺杂改变了Co、P原子的局域电子构型，使材料在宽pH范围内实现电催化产氢（Angew.Chem. Int. Ed. ,59,4154-4160）。D.C. Kothari等人利用NaBH₄还原方法，制备了在较宽的pH范围内高效的Co-Ni-B纳米催化剂( Appl. Catal. B, 192 ,126-133)。然而，非铂催化剂在催化剂活性和稳定性方面仍远远落后于铂基催化剂而无法满足商业化的应用。

对于铂基催化剂，开发适应全pH条件下的高性能析氢催化剂仍然具有挑战性，且开发高性能燃料电池阴极低铂催化剂仍然是提高了燃料电池中铂的使用效率的关键。Alexander Eychmüller等人采用强盐析剂作为引发剂（即NH4F），合成的凝胶化Au-Rh、Au-Pt气凝胶可用于在较宽pH范围的析氢反应和氧还原反应（Adv. Energy Mater. 2020,1903857）。然而，繁琐的步骤、长制备周期等，减弱了其制备效率。因此，采用一步法制备、工艺流程简单且催化剂在全pH范围内表现出优异的析氢性能，同时满足在酸性条件下显示优异的氧还原性能的双功能催化剂仍有待开发。

发明内容

本发明提出了一种B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂、制备方法及应用，利用过渡金属Fe调节Pt的电子效应，在提高活性和稳定性的同时，降低了贵金属的用量，使催化剂成本也得到大幅度降低。本发明分别采用硼酸和三聚氰胺作为硼源和氮源，将乙酰丙酮铂和六水三氯化铁、硼酸和三聚氰胺混合，经热解得到所需B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂。利用杂原子硼、氮掺杂提高了催化活性，碳基底有效分散了Pt₃Fe合金结构，避免了颗粒堆积，提高了催化剂的稳定性。最终，该催化剂在全pH范围内均表现出优异的析氢性能，且酸性条件下显示优异的氧还原性能。

实现本发明的技术方案是：

一种B,N掺杂碳负载Pt₃Fe合金纳米催化剂的制备方法，步骤如下：

（1）将炭黑、硼酸、三聚氰胺、乙酰丙酮铂和六水三氯化铁分散于溶液中得到悬浊液，搅拌4-8h使其均匀混合，将所得溶液进行干燥，得到干燥产物；