[发明专利]氮掺杂石墨炭气凝胶负载Pt氧还原电催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了氮掺杂石墨炭气凝胶负载Pt氧还原电催化剂的制备方法，目的是解决现有方法制备的炭负载Pt氧还原电催化剂耐久性不足的问题。技术方案是先采用含有醛基的醛类有机物、多羟基苯化合物或多胺基苯化合物制备有机溶液或溶胶A；采用A制备树脂气凝胶；将树脂气凝胶制备成氮掺杂炭气凝胶；将氮掺杂炭气凝胶进行石墨化处理、酸洗、干燥得到氮掺杂石墨炭气凝胶；以氮掺杂石墨炭气凝胶作为载体，负载上Pt得到氮掺杂石墨炭气凝胶负载Pt氧还原电催化剂。本发明的石墨化工艺提高了炭气凝胶的石墨化程度，同时没有炭包覆金属颗粒生成；采用本发明制备的催化剂以氮掺杂石墨炭气凝胶为载体，负载Pt分散均匀，活性高，耐久性非常好。

技术领域

本发明涉及炭材料以及燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种氮掺杂石墨炭气凝胶负载Pt氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(缩写为：PEMFC)是一种将氢气的化学能转换为电能的能量转换装置，产物只有水、功率密度高、室温启动快且噪音低，在轨道交通、航空航天等领域具有广泛应用前景。PEMFC系统核心部件为膜电极，由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。催化剂层是PEMFC中氢气和氧气发生化学反应的主要场所。Pt催化氧气还原反应活性和稳定性好(氧还原反应缩写为：ORR)，是PEMFC中广泛使用且很难被取代的阴极ORR反应催化剂。

Pt在地球上含量极为稀少，为了减小Pt的用量，提高Pt的利用率，增大电催化反应的界面，PEMFC催化剂主要由炭载体和负载的Pt纳米颗粒组成～即炭负载Pt氧还原电催化剂。炭负载Pt氧还原电催化剂的稳定性决定了PEMFC的寿命。炭负载Pt氧还原电催化剂长时间在PEMFC高电压、高温、强酸和高湿的环境下工作，炭载体容易与水或者氧气发生电化学腐蚀反应，致使Pt颗粒脱落，催化剂失活，这是导致PEMFC寿命衰减的主要原因之一。减缓炭载体电化学腐蚀反应，需要增强炭载体的稳定性。提高炭载体石墨化程度，可以减少炭载体发生电化学腐蚀反应的活性位点，是大幅度增强炭载体稳定性的较好方法。炭载体稳定性增强，ORR催化剂的稳定性也随之增加。

炭载体还影响负载Pt粒径的大小、分布、利用率和电子结构，从而影响催化剂活性，影响PEMFC性能。高活性高稳定性ORR催化剂对应的炭载体，需要具备：(1)高比表面积，均匀分散负载Pt；(2)较多的介孔或者大孔且微孔尽量少，使得反应物、产物传质阻力尽可能小；(3)较高的石墨化程度，在高湿、高电压和强酸条件下，缓解炭载体发生电化学腐蚀反应；(4)适当种类和比例的杂元素掺杂，起到锚定Pt和活化Pt电子云结构的作用，适当比例的氮元素是有利于电催化反应进行的掺杂元素。一般载体很难同时具有以上条件，制备同时较好地满足上述条件的载体，有望大幅度提高Pt基催化剂的稳定性兼备高活性。针对PEMFC使用要求，目前被广泛研究的各种炭载体主要包括各种炭黑、炭气凝胶、石墨烯、碳纳米管、纳米炭纤维以及其他新型的纳米炭材料。

各种炭黑是PEMFC使用最多的商业催化剂炭载体。美国Cabot公司生产的牌号为Vulcan XC的炭黑，比表面积约为250m²/g，有较多的大孔结构，是目前PEMFC应用最为广泛的商品催化剂载体之一。日本狮王LION公司生产的牌号为EC300J和EC600JD的炭黑，也是PEMFC广泛使用的商品炭黑载体，他们比表面积分别高达800m²/g和1400m²/g。然而，以上炭黑材料石墨化程度较低，容易与水或者氧气发生电化学腐蚀反应，稳定性较差。同时，其高的比表面积是由于材料中存在大量的微孔导致的。微孔不利于ORR氧气传质。提高炭黑的石墨化程度，必然导致其比表面积减小。高石墨化度炭黑，比表面积较小(125m²/g)。炭黑材料难以同时兼备高比表面积和高的石墨化程度。研发新型的炭载体替代炭黑制备炭负载Pt氧还原电催化剂，有望进一步提升PEMFC耐久性和活性。石墨烯、碳纳米管、纳米炭纤维等新型炭材料，具有较高的石墨化程度和较高的比表面积，作为PEMFC催化剂载体材料，有极高的研究价值，但其制备工艺一般非常复杂或条件较为苛刻，难以大规模生产，成本较高。