[发明专利]一种基于金属有机框架（MOF）材料衍生的高性能电催化剂载体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于金属有机框架(MOF)材料衍生的高性能电催化剂载体及其制备方法。该方法为：载体材料前驱体的制备；依次进行超声、搅拌等操作将前驱体溶液与过渡金属对应的盐混合均匀；然后将上述溶液冷冻、真空干燥，之后产物在惰性气氛下热处理得到碳化产物；最后将碳化产物泡酸、洗涤、干燥即可得到上述高度石墨化与强稳定性的电催化剂载体材料。该载体材料在透射电子显微镜下可清晰观察到石墨层结构，Pt基纳米颗粒在载体上分布均匀，金属粒径在纳米尺度上小且均一，电化学加速应力测试结果表明该载体材料在高电位下依然保持较强的稳定性。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及开发一种具有较高比表面积、高石墨化的碳载体材料，其作为电催化剂载体在燃料电池中应用中具有优异的稳定性。

背景介绍

由于传统能源利用方式能量效率低下，使得大量化石燃料被消耗，造成了当前能源枯竭问题；同时传统的能源消耗方式对环境也造成了极大的污染问题。寻求高效、清洁的能源转化方式对缓解当前的能源与环境问题十分重要。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种将燃料(氢气、甲醇、甲酸等)中所储存的化学能直接转化为电能的装置，在近几十年受到了越来越多的关注，与传统通过多级能量转换的发电方式不同，它只进行了一级能量转换，其能量转化效率高达40％-60％。它作为一种高效、低(零)排放的能源转换装置，已经应用于航天、军事、交通等各个领域。但是，由于催化剂的高成本和低耐久性限制了质子交换膜燃料电池大规模商业化。目前，燃料电池催化剂是基于分散在高比表面积碳载体上的铂和铂合金纳米颗粒，碳载体能够分散、稳定纳米颗粒以提高催化剂的利用率，并提供有效的传质和导电性。传统的碳载体材料，例如XC-72、BP2000、KetjenBlack等，在工况条件下易腐蚀稳定性差，导致铂纳米颗粒脱落、团聚、致密，进而导致电极孔隙率损失，降低催化剂活性与使用寿命。因此，开发一种新型的具有高比表面积和石墨化度的载体材料，对提高燃料电池催化剂活性和稳定性、加快推动燃料电池大规模工业化应用进程具有举足轻重的作用。

发明内容

本发明的目的是开发一种用于电催化剂的高比表面积和高石墨化的碳载体材料。该新型载体材料的不仅具有良好的导电性和高比表面积，同时具有规则的介孔结构。此外，较高的石墨化程度可提升该载体的电化学稳定性。该材料作为电催化的载体不仅实现了活性组分的高度分散，提高其利用率，同时实现了活性组分在在载体上的锚定，解决了活性组分在反应中脱落的问题。通过改变反应条件可以有效控制碳载体的尺寸和石墨化程度，该技术路线可实现批量化制备。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

本发明的基本制备过程包括制备载体材料前驱体；将前驱体材料与过渡金属盐按照一定的比例加入到定量的水中；依次进行超声、搅拌等操作使其分散均匀；随后将分散好的混合溶液放入冷冻干燥机的冷井中，将混合溶液完全冷冻凝固；然后通过低温真空干燥手段将水溶剂升华除去，得到气凝胶复合物；之后在惰性气氛下进行热处理，得到碳化产物；将碳化产物酸洗去除金属颗粒，洗涤、干燥后得到碳载体材料。该载体材料在透射电子显微镜下可清晰观察到石墨层结构，Pt基纳米颗粒在载体上分布均匀，金属粒径在纳米尺度上小且均一，电化学加速应力测试结果表明该载体材料在高电位下依然保持较强的稳定性。本发明的电催化剂载体材料，制法简单易行，便于放大、批量生产，作为Pt基贵金属催化剂的载体，可应用于燃料电池电极反应催化。

一种基于金属有机框架(MOF)材料衍生的高性能电催化剂载体的制备方法，包括如下步骤：

(1)载体材料前驱体的制备：取一定量的二价过渡金属盐和咪唑或咪唑衍生物等有机配体，分别溶解到一定量的有机溶剂中,在室温下将上述两种溶液混合、搅拌反应一定时间，随后静置分层，将下层产物离心与溶剂分离，水洗2～5次,然后将所得晶体干燥,作为载体材料的前驱体。