[发明专利]一种铂负载氮/硫共掺杂多孔碳纳米纤维材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种铂负载氮/硫共掺杂多孔碳纳米纤维材料及其制备和应用，该制备方法包括以下步骤：(1)取PAN和PVP浸入到N,N‑二甲基甲酰胺中，搅拌得到分散均匀的混合溶液；(2)将混合溶液通过静电纺丝制备得到PAN/PVP纳米纤维；(3)将PAN/PVP纳米纤维、硫脲和氯铂酸溶液进行混合，反应，得到氯铂酸‑硫脲‑多孔PAN纳米纤维；(4)将氯铂酸‑硫脲‑多孔PAN纳米纤维置于惰性气体保护下，先预氧化，再升温碳化，冷却，即得到目的产物。与现有技术相比，本发明的纳米纤维材料有利于复合材料的提高其催化剂的活性位点和质量储氢密度，还能降低其脱氢温度，实现了其可逆吸放氢等，可以应用在燃料电池、电解水制氢、锂离子电池和超级电容器中等。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种铂负载氮/硫共掺杂多孔碳纳米纤维材料及其制备和应用。

背景技术

随着社会发展，日益严重的空气污染和有限的传统能源增强了寻找可持续和可再生能源的机遇。燃料电池和电解水制氢由于其绿色、清洁、高效等特点，已经成为研究新能源应用的一个重要方向，被视为最具潜力的新能源技术。然而现阶段，燃料电池和电解水制氢因为诸多技术难题，还不足以被广泛使用。其中最主要的问题之一在于，燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)的反应动力学缓慢，需要高效催化剂降低反应活化能，提升动力学速度。文献报道掺杂异质原子的碳材料催化剂在碱性环境下可表现出良好的催化活性。在这些异质原子中，氮掺杂碳材料已经得到了广泛认可，对硫元素也有报道较少，若将氮、硫作为异质原子对碳材料进行共掺杂，理论上可以提高碳材料导电性、改变碳原子及其周围原子的电子排布和原子结构，形成具有sp²杂化的碳结构离域共轭体系，导致碳纳米材料的电催化性能显著改变。

另外，氢能是理想的能源之一，它洁净、无毒且丰富。然而，高效、安全储氢是氢能规模化应用的主要瓶颈。因此，寻求高效、安全、稳定的储氢材料已经成为近年来氢能研究的热点和难点。近年来，碳基纳米吸附材料因其独有的质量轻、表面积大及储氢安全和高吸放氢气性能等特点，引起了研究者的极大兴趣。但是纯碳基纳米材料与氢气之间主要是通过范德华力和静电场力等物理吸附，进行储氢。所以，纯碳纳米材料对氢的吸附比较弱，储氢量也比较低，远远未能达到实际应用的需求。

基于以上所述，主要采用异质原子及铂金属来负载或掺杂碳基纳米材料作为燃料电池阴极和电解水制氢催化剂及储氢材料，包括：

(1)异质原子氮(N)和硫(S)掺杂的碳基纳米材料。N原子掺杂到多孔碳材料中不仅可提高燃料电池和电解水制氢催化剂活性，还可提高相邻碳的氢气吸附能，使其储氢密度比纯碳材料高出18％，极大的提高了其储氢性能。同样，硫原子掺杂到碳材料后，因其高电负性及相邻碳原子的电子排布改变，形成具有sp²杂化的碳结构离域共轭体系，使其氧气吸附的位点变多，从而增加其催化活性。另外，也可与氢气吸附变强从而提高其储氢性能。因此，可靠又稳定的氮/硫源及比表面积大的碳基材料是此类储氢材料的关键。

(2)铂金属负载在碳基纳米材料。铂金属由于其内聚能小，铂金属负载的碳基纳米材料，能够提高燃料电池阴极和电解水制氢催化剂的催化活性，以及和氢分子之间作用增强，达到较高的储氢量，引起研究者的极大兴趣。铂金属的优势主要表现在：(i)燃料电池和电解水制氢催化剂催化活性的提高。铂金属负载到碳基纳米材料，其催化活性能够明显增加。(ii)储氢性能增加。贵金属铂负载在碳基纳米材料，其储氢性能得到明显提高。将铂负载在三维(3D)多孔石墨烯后，在一定的温度和压力下，其储氢密度具有明显提高，其储氢量可达到5～6wt％。因此铂原子负载到碳基材料中，不仅提高其燃料电池和电解水制氢催化活性，还可增加其储氢性能。

然而，铂金属负载在碳基纳米材料后的结合能小，所以，在实际应用中会导致铂金属在纳米材料表面容易团聚，导致燃料电池阴极和电解水制氢的催化活性及储氢量均大大降低。

发明内容