[发明专利]一种催化剂的批量制备方法及反应装置

说明书

本发明公开了一种催化剂的批量制备方法及反应装置。本发明采用气相迁移的方法，实现了简便、高效的金属原子稳定的锚定在载体上；稳定担载均匀分布的单原子提供更多的活性中心，相邻原子间的协同作用可进一步提高其电催化活性。单原子多元合金催化剂结构使得催化剂作为质子交换膜燃料电池的催化剂，具有显著提升的催化活性、抗毒化性能和稳定性，与现有制备技术相比，利用本发明气相迁移合成方法极大地提高了合成效率，适合催化剂的批量制备。

技术领域

本发明涉及纳米材料及电催化技术领域，具体为一种催化剂的批量制备方法及反应装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种经过电化学反应就能直接将化学能转为电能的发电装置。其具有的高能量密度、环境友好、低噪音、零排放及可靠性高等优点让世界各国政府、企业和相关研究机构对它的研究和开发给予了高度的重视，被认为是未来最具潜力的能源器件之一。燃料电池电极发生电化学反应需要使用催化剂，而催化剂多数为贵金属，价格昂贵，这一定程度上严重阻碍了该项新能源技术的大范围推广应用。

现阶段，碳负载铂颗粒催化剂具有优于其他催化剂的电化学性能，已成功实现商业化。但是全球铂资源储量稀少，且价格高昂，而且单独的铂颗粒在长时间运行下颗粒会发生溶解偏聚现象，载体也会出现严重的腐蚀导致活性颗粒脱落。因此，高昂的催化剂制造成本和相对较短的寿命限制了质子交换膜燃料电池的进一步商业化进程。近年来涌现的单原子合金催化剂，金属活性位(尤其是贵金属)以单原子形式分散于其他金属中，可实现贵金属活性位的最大限度利用，因此可以降低制造成本；同时，特殊的电子和几何结构赋予催化剂独特的活性中心，且合金化效应能显著提高单原子合金催化剂稳定性，从而被广泛用于电催化领域。

目前的大多单原子合金制备方法都具备制备过程复杂、制备成本高、难以工业化生产等缺点。在已报道的单原子的不同合成策略中，通过湿法沉积途径(如浸渍)合成后引入金属是最易于规模化的策略之一。然而，当引入高金属含量时，很难阻止金属物种的聚集行成簇和纳米颗粒状。因此开发出一种可批量制备单原子合金催化剂策略，在大规模生产中尤为重要。

发明内容

本发明的目的主要是为了克服现有催化剂制备技术及催化剂材料存在的缺陷而提供一种催化剂的批量制备方法及反应装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明一方面提供一种催化剂的批量制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过引入氮源气体，煅烧完成对碳载体的掺杂，得到氮掺杂的碳载体基材；

S2、通过控制气体的流量和流向，实现气体分别对多个金属靶材轰击，气体对金属靶材的轰击呈间歇式，多个金属靶材上各自的金属原子在气体的轰击下分别析出并沉积于S1制得的碳载体基材上，得到单原子合金催化剂。

上述技术方案中，进一步地，S1中，所述氮源气体的通入流量为0.05-0.1m³/s；

所述煅烧温度为400-800℃，煅烧时间为12-18h；

所述氮掺杂的碳载体基材中氮与碳元素摩尔比为1:1-10；

所述碳载体为碳纳米颗粒、碳纳米管、碳纳米球、碳纳米纤维网中的一种或几种；

所述氮源气体为氨气、一氧化氮、氧化亚氮中的一种或几种。

上述技术方案中，进一步地，S2中，所述气体流量为300-700ml/min；

所述气体为氦气，氩气中的一种或几种；

所述金属靶材为Pt、Pd、Ru、Ir、Co、N、Cu、Fe中的一种或多种；

所述间歇式轰击的间隔为3-5s。