[发明专利]一种介孔碳负载纳米铂催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种介孔碳负载纳米铂催化剂的制备方法，涉及材料领域，包括步骤（1）制备介孔碳载体和步骤（2）制备介孔碳负载纳米铂催化剂，其特征在于：所述步骤（1）制备介孔碳载体步骤中是采用硅酸钠或硅酸钾作为硬模板剂。本发明制备方法原料易获得，工艺简单，容易实现规模化生产。制备的介孔碳比表面积高，孔径适中；制备的催化剂铂载量高，铂颗粒分布均匀，催化剂的氧还原性能优异。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种介孔碳负载纳米铂催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是解决当前环境恶化和能源短缺问题的关键技术之一，被认为是最有希望替代传统石化燃料的新一代能源动力技术。催化剂是PEMFC中电化学反应发生的关键场所，对其输出功率具有至关重要的影响。目前铂碳催化剂的催化活性和稳定性突出，是燃料电池主要的商业化催化剂。然而，铂是一种稀缺资源，目前探明的全球铂储量仅3.2万吨，且约97％的铂资源分布在南非和俄罗斯，我国的铂资源仅占全球资源的约0.4％，约130吨。若燃料电池汽车完全取代燃油汽车，我国铂资源的自主保障能力弱，将会对燃料电池的发展构成一定制约。因此，提高催化剂中铂的利用率是燃料电池领域的主要研究课题之一。

传统的铂碳催化剂以实心碳作为载体，铂颗粒负载在碳材料表面，在燃料电池电化学反应发生时，催化层中用于传导质子的离子聚合物覆盖在铂颗粒表面，阻碍了反应气体的吸附，从而对铂的催化活性造成屏蔽影响，降低铂的利用率；其次，由于实心碳的比表面积较低，在制备高铂载量的催化剂时易造成颗粒团聚，同样会降低铂的利用率。

使用具有特定孔径的介孔碳作为载体，可为铂颗粒提供更多的位点，同时可防止离子聚合物进入孔道。铂碳催化剂中的铂颗粒的尺寸约2～5nm，离子聚合物的尺寸约10nm。因此，介孔碳的孔径不宜过小，否则铂颗粒无法负载于孔道内；孔径也不宜过大，否则离子聚合物进入孔道后仍会对铂颗粒的活性造成屏蔽。因此，使用孔径在5～10nm间的介孔碳作为载体，可提高铂颗粒的利用率。

使用硬模板法制备介碳具有孔结构可调、产品一致性好、碳源可选择种类丰富等优点。二氧化硅分子筛是一类常用的硬模板剂，然而此类材料作为硬模板剂时，需在碳源完成碳化后使用氢氟酸除去模板剂以得到多孔碳。公开号CN110665496A的发明专利公开了一种孔长可控有序介孔碳载铂基催化剂的制备方法，所述方法的步骤包括制备二氧化硅硬模板剂、制备有序介孔碳、制备碳载铂基催化剂。此方法过程复杂，腐蚀性强，在大规模制备过程中对人员防护和设备防腐蚀性要求高，难以实现量产。

可溶性的金属盐用作硬模板剂，可在形成多孔结构的碳材料后，直接用水洗去，工艺方法简单，金属盐选择广泛。公开号为CN11090639公开了一种采用氯化钠或氯化钾作为硬模板制备多孔碳的方法，由该专利的附图3可见所得产物孔径多为100nm以上的大孔；公开号为CN106185923A公开了一种采用氯化钠作为硬模板，通过硬模板法结合化学活化法制备多孔碳，产物的孔径分布在1.5～3.5nm，主要由微孔构成，而微孔形成的原因主要在于采用氢氧化钾进行化学活化得到。以上所制备的多孔碳存在孔径过大或过小的问题，均不适合作为载体来制备燃料电池催化剂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种介碳负载纳米铂催化剂的制备方法，本发明制备方法原料易获得，工艺简单，容易实现规模化生产。制备的介孔碳比表面积高，孔径适中；制备的催化剂铂载量高，铂颗粒分布均匀，催化剂的氧还原性能优异。

本发明为解决上述的问题，所采取的步骤如下。

一种介孔碳负载纳米铂催化剂的制备方法，其步骤包括两个步骤，两个步骤为步骤(1)为多孔碳载体的制备和步骤(2)为多孔碳负载纳米铂催化剂的制备，所述制备介孔碳载体步骤中是采用可溶性硅酸盐作为硬模板剂，制备出孔径和比表面积适当的介孔碳。