一種三維碳結構負載Pt-Ir合金催化劑及其制備方法技術

一種三維碳結構負載Pt

【技術實現步驟摘要】
一種三維碳結構負載Pt
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Ir合金催化劑及其制備方法


[0001]本專利技術屬于催化劑領域，主要涉及一種三維碳結構負載鉑
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銥合金催化劑及其制備方法。

技術介紹

[0002]自然資源的枯竭和過度開發，給可持續發展帶來了巨大的環境挑戰影響導致了對替代能源系統的廣泛研究。電化學能量轉換和存儲系統，如燃料電池、水電解槽和電池是最關鍵的解決目前全球能源危機的技術。科學家已經進行了廣泛的研究以提高PEMFC中氧還原催化劑的活性、耐久性和成本效益。獲得有前途的催化劑主要有兩種策略:開發雙功能催化劑和引入催化劑載體。一些研究人員從增強活性和耐久性的角度探索了Ir作為合金元素或核心金屬的潛力。盡管Ir在強酸溶液中具有電化學穩定性，但迄今為止，關于PtIr納米結構的研究對催化活性提高的程度還很少。本實驗通過兩部還原的方法得到一種PtIr合金催化劑，進一步提升催化性能。而三維的復合結構可以進一步提高催化活性。當一維石墨烯薄片上的PtIr經歷奧斯特瓦爾德成熟時，在成熟過程中溶解的Pt物種或簇可以被捕獲或在雜交支撐結構中的CB/C/CNT上重新成核。鉑原子或團簇在碳表面的遷移強烈依賴于表面的非均質性，這意味著表面的缺陷或扭結可以作為非均質形核位點。與單一表面相比，這種三維結構表面具有更豐富的扭結和陷阱，為遷移Pt物種(原子或簇)提供更多的成核位點，并重新收集更多的Pt物種，否則這些Pt物種會結合成更大的粒子或溶解在電解質中。本專利技術將通過三維碳結構均勻負載PtIr催化劑的同時提升其活性與穩定性，同時將通過可靠的等離子體后處理方法，極大地降低其雜質含量，進一步提升材料穩定性。

技術實現思路

[0003]為實現批量化生產低毒性、高活性、高穩定性燃料電池碳載鉑催化劑，本專利技術提供了一種三維碳結構負載鉑催化劑及其制備方法。本專利技術所提供的技術步驟如下：
[0004]步驟1：三維碳結構載體制備與處理
[0005]按重量份數將零維碳材料0.5
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1.5份、一維碳材料0.5
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1.5份、二維碳材料0.5
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1.5份、炭黑1
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10份混合溶于20
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100份的10wt％硝酸溶液，在60
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80℃攪拌5
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10小時，所得混合物水洗抽濾并于60
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80℃干燥5
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10小時，將干燥產物在250
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400rpm下球磨1
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2小時，得到三維碳結構粉體；零維碳材料包括納米金剛石，富勒烯；一維碳材料包括碳納米管、碳納米纖維；二維碳材料包括石墨烯；
[0006]步驟2：合成三維碳結構負載鉑銥合金催化劑
[0007]按重量份數，稱取三維碳結構1.8份、(HOCH2CH2NH3)2[Pt(OH)6]2.25
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13.5份，檸檬酸二水合物鈉(C6H5Na3O7·
2H2O)14.7份，氯化銥(III)(IrCl3)0.7
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5份，硼氫化鈉3.8份，甲酸(HCOOH)1份。首先利用硼氫化鈉對氯化銥進行還原，接著利用甲酸對Pt的前驅體進行還原。將氯化銥和檸檬酸二水合物鈉溶于去離子水中連續攪拌15
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30分鐘；然后加入NaBH4，接著在90℃條件下滴加30wt％H2O2，在Ar氣氛中回流2
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3h。將六羥基合鉑酸二(乙醇銨)和甲酸
立即在160℃，Ar氣氛中回流2
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3h。將將還原得到的PtIr合金催化劑與步驟1得到的三維碳結構粉體分散混合在溶液中，攪拌過夜。獲得的反應液過濾，洗滌，干燥至恒重。
[0008]步驟3：過濾、洗滌、干燥等后處理過程
[0009]將步驟2所得溶液進行抽濾，水洗后在60
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80℃真空干燥5
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10小時，所得粉末研磨后在H2占總氣體(H2和N2)體積百比例為0
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20％，氣體流速為80
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100sccm的氣氛中退火1
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3小時，退火溫度150
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400℃；
[0010]步驟4：等離子體處理
[0011]采用等離子體增強化學氣相沉積系統(PECVD)對步驟3退火粉體進行恒溫等離子體處理，粉體盛放于可旋轉的陶瓷坩堝內部，坩堝通過旋桿固定，通入H2或N2氣體，射頻功率150W，保溫溫度為300
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500℃，等離子體處理時間為1
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3小時；
[0012]基于以上生產方案，即獲得低毒性、高活性、高穩定性三維碳結構負載鉑催化劑。所獲催化劑應有以下特征：20wt％PtIr/C鉑銥合金平均粒徑小于3.0nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。40wt％PtIr/C鉑銥合金平均粒徑小于3.5nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。60wt％PtIr/C鉑鉑銥合金平均粒徑小于5.0nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。
[0013]基于以上生產方案，即獲得低毒性、高活性、高穩定性三維碳結構負載鉑催化劑。所獲催化劑應有以下特征：20wt％PtIr/C鉑銥合金平均粒徑小于3.0nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。40wt％PtIr/C鉑銥合金平均粒徑小于3.5nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。60wt％PtIr/C鉑鉑銥合金平均粒徑小于5.0nm，氯化物含量小于100ppm，含水量小于1wt％。
附圖說明
[0014]圖1等離子體處理示意圖(1為射頻線圈，2為坩堝固定支架，3為旋桿，4為反應腔室，5為可旋轉坩堝)
[0015]圖2坩堝截面圖(6為等離子體，7待加工粉體)
具體實施方式
[0016]為更加具體的解釋本專利技術所述的生產過程與原理，特舉出實施例。實施例僅為了解釋與說明，并不對本專利技術范圍有所限定。
[0017]實施例1
[0018]步驟1：稱取三維碳結構原料，將碳納米管0.5g、石墨烯1.5g、富勒烯0.5g、炭黑1g制成均勻混合粉體；
[0019]步驟2：將步驟1獲得的粉體溶于100g的10wt％硝酸溶液，在80℃攪拌10小時；
[0020]步驟3：將步驟2所得混合物冷卻至室溫后用去離子水洗滌3次并在80℃干燥5h獲得混合粉體；
[0021]步驟4：將步驟3混合粉體放入球磨機進行球磨，球磨機轉速500rpm，球磨時間1小時，球磨最終產物即為三維碳結構粉體；
[0022]步驟5：按重量份數，稱取制備的三維碳結構1.8g、六羥基合鉑酸二(乙醇銨)2.25g，檸檬酸二水合物鈉(C6H5Na3O7·
2H2O)14.70g，氯化銥0.72g，硼氫化鈉3.78g，甲酸
0.92g；
[0023]步驟6：將氯化銥和檸檬酸二水合物鈉溶于去離子水中連續攪拌30分鐘；然后滴加本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種三維碳結構負載Pt
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Ir合金催化劑的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：步驟1：三維碳結構粉體制備按重量份數將零維碳材料0.5
?
1.5份、一維碳材料0.5
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1.5份、二維碳材料0.5
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1.5份、炭黑1
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10份混合溶于20
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100份的10wt％硝酸溶液，在60
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80℃攪拌5
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10小時，所得混合物水洗抽濾并于60
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80℃干燥5
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10小時，將干燥產物在250
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400rpm下球磨1
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2小時，得到三維碳結構粉體；步驟2：PtIr合金在三維碳結構上的合成、負載與均勻分散按重量份數，稱取三維碳結構1.8份、(HOCH2CH2NH3)2[Pt(OH)6]2.25
?
13.5份，檸檬酸二水合物鈉(C6H5Na3O7·
2H2O)14.7份，氯化銥(III)(IrCl3)0.7
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5份，硼氫化鈉3.8份，甲酸(HCOOH)1份；將氯化銥和檸檬酸二水合物鈉溶于去離子水中連續攪拌15
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30分鐘；然后滴加NaBH4，接著在90℃條件下滴加30wt％H2O2，在Ar氣氛中回流2
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3h后再將六羥基合鉑酸二(乙醇銨)和甲酸加入在160℃，Ar氣氛中回流2
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3h得到PtIr合金催化劑；將PtIr合金催化劑與步驟1得到的三維碳結構粉體分散混合在溶液中，攪拌過夜；獲得的反應液過濾，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王如志，魏欣，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：