[发明专利]基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于电催化剂技术领域，公开了一种基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂及其制备方法，它是由单原子分布的贵金属作催化活性中心和多孔氮掺杂中空碳壳组成的贵金属担载量为1‑12%的中空核壳结构电催化剂，通过制备Pt^x+/SiO₂中间体及Pt₁/SiO₂@PNC中间体最终制得Pt₁@PNC催化剂。本发明的制备方法操作简便，成本低，所制得的Pt₁@PNC催化剂中金属铂为单原子状态且均匀地分布在PNC内表面，提高氢气在Pt₁活性中心表面上的吸附与氧化速率，使Pt₁@PNC催化剂在较低电位下表现出优异的氢氧化反应活性和稳定性。本发明适用于作为催化剂应用于电催化氢氧化反应和氢析出反应。

技术领域

本发明属于电催化剂技术领域，涉及氢氧化反应电催化剂，具体地说是基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以高能物质氢气为燃料，在低于100℃的温度下，经电催化剂作用，将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高效能量转换装置。PEMFC运行时，燃料不经过燃烧过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高达40％-60％，是一种洁净、安静、环境友好的发电装置。基于这些优点，PEMFC在无人机动力电源及备用电源等领域具有广阔的应用前景。但PEMFC在规模化应用过程中，催化剂成本高、活性低和稳定性差一直是困扰其发展的核心问题，主要表现为：

目前，PEMFC阳极商业化催化剂为碳载铂催化剂，生产成本高，而非铂催化剂的氢氧化反应活性低，大大降低了PEMFC的输出功率，提高金属铂(Pt)的利用率是降低PEMFC成本的关键；同时，阳极氢氧化反应涉及一系列吸脱附过程和电子转移反应，反应过程复杂，降低了其动力学反应速率；此外，当前使用的碳载铂催化剂结构不稳定，在反应条件下载体易被腐蚀，铂纳米粒子也易脱落和团聚，导致催化剂稳定性较差。

近年来，国内外针对提高氢氧化反应的动力学反应速率和催化剂的稳定性做了大量的研究。名称为《Highly Selective Pt/TiOx Catalysts for the Hydrogen OxidationReaction》的文章报道了一种多孔包覆型Pt/TiOx/C催化剂，在该催化剂中Pt活性位点被多孔TiO_x层包覆，TiO_x层能有效抑制Pt的氧化和团聚，提高了Pt催化剂的HOR本征活性和稳定性，但TiO_x层占据了部分Pt活性位点，降低了Pt的利用率。

因此，设计一种结构稳定的氢氧化反应电催化剂，在降低催化剂铂载量的基础上，提高Pt的利用率、氢氧化反应的动力学反应速率和催化剂的稳定性，对推动PEMFC的规模应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的一个目的，是要提供一种基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂，由催化活性中心和多孔氮掺杂中空碳壳组成贵金属担载量为1-12％的中空核壳结构电催化剂，以达到在降低催化剂铂载量的基础上，提高Pt的利用率、氢氧化反应的动力学反应速率和催化剂的稳定性的目的；

本发明的另外一个目的，是要提供上述基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂的一种制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于反应物富集的铂单原子氢氧化反应电催化剂，它是由催化活性中心和多孔氮掺杂中空碳壳组成的中空核壳结构电催化剂，其中，催化活性中心是单原子分布的贵金属，贵金属担载量为1-12％。

作为一种限定，所述中空核壳结构电催化剂为Pt₁@PNC催化剂，其中，Pt₁为催化活性中心，是单原子分布的铂金属；所述多孔氮掺杂中空碳壳的直径为5nm-100nm。