[发明专利]一种氮掺杂碳负载铂基电催化剂及其合成方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳负载铂基电催化剂及其合成方法。包括：采用聚酰胺‑胺树形分子为模版剂和稳定剂，对金属离子进行至少一次络合和还原制备纳米粒子；将导电炭载体依次经酸化、酯化或酸酐化预处理，形成表面功能化的炭载体；将纳米粒子与预处理后的炭载体经浸渍和酰胺化反应有序地锚定在碳载体表面，在流动的惰性气体气氛中炭化，形成网状碳‑氮层，金属或金属合金纳米粒子被锚定其上，形成氮掺杂碳负载的铂基电催化剂。本发明利用聚酰胺‑胺树形分子的内部的纳米空穴造就了金属纳米粒子的形成和稳定且粒径可控结构，经高温碳化造就了导电的网状碳‑氮表面层，该表面层不但能提高碳载体的耐久性而且能提升锚定在其上的铂基催化剂的活性。

技术领域

本发明属于电催化剂设计制备技术领域，尤其属于一种用于质子交换膜燃料电池的高效低贵重金属膜电极中高性能电催化剂制备方法，涉及新能源材料与在燃料电池汽车的应用领域，具体涉及一种氮掺杂的、结构可控的碳负载铂基电催化剂及其合成方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)由于其操作温度低，通常在室温到100℃之间即可运行，安全无污染，不使用腐蚀性电解液或高温熔盐的特性，并且相比较内燃机，其能量密度和功率密度高，因此，作为新一代能源技术应用的前景广阔，市场潜力巨大。燃料电池的关键零部件包括膜电极组件(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)，其关键组成是电催化剂。

目前贵金属铂仍然是商业上最受青睐的燃料电池催化剂，然而，由于其较慢的阴极氧还原动力学速率(阴极氧还原反应活性，即ORR活性)、低贵金属利用率、循环负荷下可怜的稳定性、以及高昂的贵金属成本成为了质子交换膜燃料电池商业化应用的最大障碍。近十几年来，学术界和产业界开始致力于探索开发新型的电催化剂，以满足商用催化剂高效、耐久，低成本的要求。具有核壳结构的纳米铂合金制备技术对于提高电催化剂电化学活性和金属Pt有效利用率，提供了一种有效的技术途径，具有潜在工业应用价值。尽管目前在降低贵金属成本同时维持较高的阴极氧还原反应活性方面，取得了一定的进展，然而含有铂基催化剂的燃料电池成功商业化实施仍需要进一步大大地提高电催化剂的阴极氧还原反应活性和降低贵金属的用量，同时还要进一步地改善长时间运行的耐久性。

聚酰胺-胺树形分子(PAMAM Dendrimer),其内部具有纳米级的空腔，是合成纳米金属粒子的有效的模板剂和稳定剂，近年来，采用聚酰胺-胺树形分子合成纳米金属粒子，由于其可控的纳米粒子的结构和粒径及均匀性，受到了学术研究的广泛关注，而且这类高分子聚合物由于其碳-氮树状骨架结构，必将对稳定金属纳米粒子、提升其催化活性及改善碳载体稳定性起到有效的促进作用。本发明采用聚酰胺-胺树形分子为合成金属纳米粒子的模板剂和稳定剂，制备了氮掺杂碳负载铂基电催化剂，为开发高效、耐久工业电催化剂的开发，提供了一种有效的技术途径，具有潜在工业应用价值。

以下是本文中涉及的英文缩写：

PAMAM，聚酰胺-胺；Dendrimer,树形分子或树状分子

PAMAM dendrimer，聚酰胺-胺树形分子；

PEMFC，质子交换膜燃料电池；

MEA，膜电极组件；

ORR，阴极氧还原反应；

M，金属；

A(Alloy)，贵金属与过渡金属合金；

PGM，贵金属；

TM，过渡金属；

M-DENs，聚酰胺-胺树形分子包覆的金属纳米粒子，M表示任意金属；

[TM]Pt-DENs，聚酰胺-胺树形分子包覆的过渡金属核、铂壳合金纳米粒子，简称过渡金属核、铂壳合金纳米粒子；