[发明专利]硫硼掺杂碳材料、铂碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及硫硼掺杂碳材料、铂碳催化剂及其制备方法和应用，该硫硼掺杂碳材料的表面上，硫与碳的结合方式更均一。以该硫硼掺杂碳材料为载体制造的铂碳催化剂具有高的质量比活性、ECSA及其稳定性。

技术领域

本发明涉及硫硼掺杂碳材料、铂碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料的来源广泛、性质丰富，已广泛用于各技术领域。在化学领域，碳材料既是重要的载体，也是常用的催化剂。碳元素的成键方式丰富，可以通过各种方式对碳材料改性，以期获得更佳的性能。

氧还原反应(ORR)是电化学领域的关键反应，例如在燃料电池和金属空气电池中，氧还原反应是影响电池性能的主要因素。掺杂原子的碳材料可直接用作氧还原反应的催化剂。在用作氧还原催化剂时，已有文献报道在碳材料中掺入氮、磷、硼、硫、氟、氯、溴、碘等元素，其中氮与碳原子半径接近，容易进入碳晶格中，是最常用的掺杂元素。尽管将掺杂碳材料作为燃料电池催化剂的文献报道较多，一些研究结果展现了较好的活性，但与铂碳催化剂相比尚有较大差距，距离商业化应用较远。一方面本领域对杂原子与碳材料的结合方式及其催化机理认识还不充分；另一方面每种杂原子与碳材料有多种结合方式，掺杂多种杂原子时的情况更为复杂，因此如何控制杂原子与碳材料的结合方式是掺杂原子的难点。另外，此类催化剂不适用酸性环境，特别是重要的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

迄今为止，最有效的氧还原催化剂是铂碳催化剂，本领域迫切希望大幅度提高其催化活性和稳定性，以期促进其大规模商业应用。影响铂碳催化剂活性、稳定性的因素很多且复杂，一些文献认为，铂碳催化剂的活性、稳定性与铂的粒径、形貌、结构，以及载体的种类、性质和铂载量有关。现有技术主要是通过控制铂的粒径、形貌、结构以及载体的比表面积、孔结构来改进铂碳催化剂的性能；也有文献报道在碳表面连上修饰基团，通过对碳载体改性来提高铂碳催化剂的性能。

实际应用的氢燃料电池铂碳催化剂的铂载量至少在20wt％以上，其比化工铂碳催化剂(铂载量低于5wt％)的制造难度大很多。提高载铂量有利于制造更薄、性能更好的膜电极，但大幅度提高载铂量更容易造成铂金属颗粒间的堆积，导致活性位点利用率急剧下降。如何更有效地利用铂金属颗粒的催化活性位点并增加可接触的三相催化反应界面，从而提高铂利用率以及燃料电池及金属空气电池的能量密度、功率密度等综合性能，是本领域亟需解决的关键问题。

碳载体缺陷位多有利于提高载铂量，但同时加剧碳腐蚀，降低催化剂的稳定性。提高石墨化程度能有效缓解碳腐蚀，但石墨化程度高也使碳载体表面呈化学惰性，很难将铂均匀分散在碳载体上，在载铂量高时尤为困难。

化学还原法是常用的铂碳催化剂的制造方法，优点是工艺简单，缺点是铂的利用率低，催化活性较低。其原因可能是碳载体孔结构不规则导致铂纳米颗粒分散不均匀。

前述背景技术部分所公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，它可以包括不属于本领域普通技术人员已知的信息。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种硫原子与碳材料结合方式更均一的硫硼掺杂碳材料。本发明的第二个目的是提供一种综合性能更优的铂碳催化剂。发明的第三个目的是在前述目的的基础上提供一种更高载铂量的铂碳催化剂。本发明的第四个目的是改进制造铂碳催化剂的水相还原法。

为了实现前述目的，本发明提供了如下的技术方案。

1.一种硫硼掺杂碳材料，其特征在于，在其XPS分析的S_2P谱峰中，在160ev～170ev之间，只有噻吩型硫的特征峰。

2.按照1所述的硫硼掺杂碳材料，其特征在于，在其XPS分析B_1s谱峰中，在190ev～195ev之间有特征峰，在185ev～200ev之间没有其他的特征峰。