[发明专利]一种高效稳定的碳载型铂基复合材料催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及高效稳定的碳载型铂基复合材料催化剂及其制备方法和应用，本发明中碳载型铂基复合材料催化剂是将非金属源以一定的比例通过高温汽化的方式引入到碳载型铂基催化剂中得到的，制备得到的碳载型铂基复合材料催化剂与初始碳载型铂基催化剂相比，在酸性条件下实现了氧还原反应路径的切换，可高选择性的生产过氧化氢，并在实际的模型生产设备中具有优异的过氧化氢生产产率；本发明制备的碳载型铂基复合材料催化剂作为电催化剂应用于酸性条件下氧气还原反应具有制备方法简单、反应活性好、稳定性高等优势，在电化学能源存储与转化领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能材料和新能源技术领域，尤其是涉及一种高效稳定的碳载型铂基复合材料催化剂的制备及其在燃料电池阴极氧气还原反应生成过氧化氢中的应用。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种多功能绿色氧化剂，广泛应用于化学合成、环保、农业、储能等诸多领域，被认为是最重要的100种化学品之一。全球H₂O₂市场预计将从2021年的16.9亿美元增长到2028年的22.0亿美元。特别是在COVID-19大流行期间，对具有高杀菌和杀病毒活性的H₂O₂的需求进一步增加。目前对H₂O₂的需求是通过间接蒽醌工艺满足的，但该工艺需要大量使用有机溶剂和稳定剂，存在环境污染，并且集中大规模生产的高浓度H₂O₂在实际使用中也存在运输安全风险。后代需要更清洁和本地化的能量转换和化学合成过程。燃料电池中的的阴极氧还原反应(ORR)为生产H₂O₂提供了一种环保经济的方法，可以安全、便携、绿色的现场生产高纯度的H₂O₂，是蒽醌工艺的理想替代方法之一。但ORR涉及两条相互竞争的反应途径，四电子(4e^-)途径生成水(O₂+4H⁺+*+4e^-→2H₂O)和二电子(2e^-)途径生成H₂O₂(O₂+2H⁺+*+2e^-→H₂O₂)。对于从ORR反应选择性生产H₂O₂，合理设计具有高活性、选择性和稳定性的2e^-ORR途径电催化剂是先决条件。

在ORR中铂基催化剂具有不可替代的优势，即使是苛刻的反应条件下也能够提供足够的稳定性，是最有效的ORR催化剂。然而，Pt通常催化O₂到H₂O的4e^-还原。研究者发现分散连续的活性位点是提高H₂O₂选择性的有效方法。然而，当前的单分散Pt催化剂显示出较差的2e^-ORR活性，低负载量的单分散催化剂需要大的过电势才能达到可观的电流密度(～200mV以提供0.1mA·cm^-2的H₂O₂电流密度)。因此，大多数工作都集中在更实用的解决方案上，例如合金和复合材料。2e^-ORR合成H₂O₂的一些最成功的材料是基于金属合金，例如PtPd、PdAu、PtHg或PdHg等。迄今为止，PtHg和PdHg代表了酸性环境中最活跃的催化剂(～0mV过电势以提供0.1mA·cm^-2的H₂O₂电流密度)。然而，汞本身的毒性阻碍了含汞催化剂的进一步发展。除了关注催化剂的性能外，我们还应该关注催化剂抗双氧水分解的能力。即使是最佳的汞合金催化剂，在实际设备中产生H₂O₂的性能也是平庸的。H₂O₂本身具有高反应性，在实际生产设备中产物难以从催化剂表面转移，贵金属合金催化剂无法有效阻止H₂O₂的进一步分解。