【技術實現步驟摘要】
本申請涉及燃料電池，特別是涉及一種介孔碳載體及其制備方法、燃料電池用催化劑。
技術介紹
1、燃料電池是一種新型的能量轉換效率高、綠色無污染的發電裝置，可廣泛應用于燃料電池汽車、固定式發電站以及移動電源等場景。燃料電池的核心部件為膜電極，膜電極由催化劑、質子交換膜和氣體擴散層組成。對于催化劑來說，其成本占比高，且其活性和穩定性直接影響燃料電池的整體性能。
2、現有大部分燃料電池用催化劑結構為金屬（如pt）顆粒擔載在碳載體上，pt利用率高，但也存在催化層中的pt由于磺酸覆蓋中毒而活性降低的不良后果。為改善此類問題，可以采用介孔碳做為載體，將金屬pt封裝在介孔碳載體內，避免pt與聚合物的直接接觸，抑制由于磺酸覆蓋導致的催化劑中毒。同時，介孔碳載體和具有較高固體溶解度的金屬催化劑相結合，可提高催化劑活性和穩定性。
3、然而，現階段對于介孔碳載體的制備大部分需要借助模板法，碳載體的結構取決于模板的結構，制備的碳載體孔隙可調控性較差，且模板完全去除困難，碳載體的導電率以及比表面積無法比擬商業無定形碳，并且制備工序復雜。因此，亟需一種可大規模制備、方法簡單、孔結構可控、有利于提高催化劑活性和穩定性的介孔碳載體制備工藝，以更好地匹配燃料電池催化劑的使用需求。
技術實現思路
1、基于此，本申請提供了一種介孔碳載體及其制備方法、燃料電池用催化劑，該介孔碳載體的制備方法操作簡單，且制備的介孔碳的孔結構可控，能夠使催化劑具有較高的催化活性和穩定性。
2、本申請提出的技術
3、根據本申請的第一方面，提供了一種介孔碳載體的制備方法，包括以下步驟：
4、將碳源粉末進行裝料，置于惰性氣體環境中進行通電處理，以對所述碳源粉末進行電化學刻蝕形成介孔結構；
5、采用氧化劑對電化學刻蝕后的所述碳源粉末進行活化處理，以在所述碳源粉末的外表面以及所述介孔結構的內表面上引入含氧官能團；
6、將活化處理后的所述碳源粉末進行煅燒，以使所述碳源粉末石墨化，得到所述介孔碳載體。
7、在任意的實施方式中，所述通電處理包括依次進行的第一恒流通電和第二恒流通電；
8、所述第一恒流通電的電流為2a~10a，電壓為2v~15v，通電時間為2min~30min，通電方式為直流、交流或脈沖；
9、所述第二恒流通電的電流為5a~15a，電壓為5v~20v，通電時間為2min~30min，通電方式為直流、交流或脈沖。
10、在任意的實施方式中，在所述第二恒流通電之后，所述通電處理還包括一次或多次第三恒流通電；所述第三恒流通電的電流為2a~5a，電壓為2v~10v，通電時間為2min~30min，通電方式為直流、交流或脈沖。
11、在任意的實施方式中，相鄰的兩次恒流通電之間間隔10min以上。
12、在任意的實施方式中，在前一次恒流通電結束后且在下一次恒流通電開始前，還包括將所述碳源粉末取出進行重新裝料的步驟。
13、在任意的實施方式中，所述介孔結構包括第一級孔結構和第二級孔結構；所述第一級孔結構的孔直徑為d1，2nm≤d1<5nm；所述第二級孔結構的孔直徑為d2，5nm≤d2<50nm；所述第一級孔結構的孔容為所述介孔結構總孔容的40%~60%；所述介孔碳載體的外比表面積與內比表面積之比為0.4~0.6:1。
14、在任意的實施方式中，所述將碳源粉末進行裝料包括：將所述碳源粉末裝入兩端開口的絕緣管中，從所述絕緣管的兩端將所述碳源粉末進行擠壓使碳源粉末樣品的電阻達到預設值，將碳源粉末樣品的兩端分別與恒流儀的正極和負極連接。
15、在任意的實施方式中，在將所述碳源粉末進行裝料之前，還包括：將所述碳源粉末置于醇類溶劑中，在超聲條件下進行清洗，抽濾、烘干后得到清洗預處理后的碳源粉末。
16、在任意的實施方式中，所述氧化劑包括氧氣、空氣、過氧化氫和濃硝酸中的一種或多種。
17、在任意的實施方式中，所述活化處理的方式包括水熱反應、高溫酸煮和高溫煅燒中的一種或多種。
18、在任意的實施方式中，所述含氧官能團包括羥基、羧基和醛基中的一種或多種。
19、在任意的實施方式中，基于所述介孔碳載體的總質量，所述含氧官能團的質量分數為10%~20%。
20、在任意的實施方式中，所述煅燒的溫度為400℃~900℃，煅燒時間為30min~180min，煅燒氣氛為惰性氣氛，惰性氣體的流速為8ml/min~15ml/min。
21、在任意的實施方式中，所述碳源粉末包括導電炭黑bp2000、導電炭黑vulcan?xc72、科琴炭黑、石墨烯和碳納米管中的一種或多種；所述碳源粉末的直徑為5nm~300nm。
22、在任意的實施方式中，所述介孔碳載體在拉曼光譜中的g峰強度為ig、d峰強度為id，且1.2≤ig/id≤2.5。
23、根據本申請的第二方面，提供了一種介孔碳載體，通過本申請第一方面的介孔碳載體的制備方法制備得到。
24、根據本申請的第三方面，提供了一種燃料電池用催化劑，包括碳載體和負載在所述碳載體上的催化活性物質，所述碳載體包括本申請第一方面的介孔碳載體的制備方法制備的介孔碳載體。
25、與傳統技術相比，本申請至少具有如下有益效果：
26、上述的介孔碳載體的制備方法，通過將碳源粉末在惰性氣體環境中進行通電處理，對碳源粉末進行電化學刻蝕，在碳源粉末內部形成介孔結構；通過控制通電處理過程中的工藝參數，可以形成具有不同直徑的介孔結構，介孔結構的可調控性較好；采用氧化劑對碳源粉末進行活化處理，能夠在碳源粉末的外表面以及介孔結構的內表面上引入含氧官能團，能夠增強介孔碳載體與催化活性物質之間的相互作用，提高催化劑的穩定性；通過煅燒處理，能夠實現介孔碳載體的石墨化程度的調控。該制備方法孔結構可調控性好、操作簡單，將該方法制備的介孔碳載體用于作為燃料電池催化劑的載體，能夠使催化劑具有較高的催化活性和穩定性。
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1.一種介孔碳載體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述通電處理包括依次進行的第一恒流通電和第二恒流通電；
3.根據權利要求2所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，在所述第二恒流通電之后，所述通電處理還包括一次或多次第三恒流通電；所述第三恒流通電的電流為2A~5A，電壓為2V~10V，通電時間為2min~30min，通電方式為直流、交流或脈沖。
4.根據權利要求3所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，相鄰的兩次恒流通電之間間隔10min以上。
5.根據權利要求2~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，在前一次恒流通電結束后且在下一次恒流通電開始前，還包括將所述碳源粉末取出進行重新裝料的步驟。
6.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述介孔結構包括第一級孔結構和第二級孔結構；所述第一級孔結構的孔直徑為d1，2nm≤d1<5nm；所述第二級孔結構的孔直徑為d2，5nm≤d2<50nm；所述第一級孔結構的
7.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述將碳源粉末進行裝料包括：
8.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，在將所述碳源粉末進行裝料之前，還包括：
9.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述氧化劑包括氧氣、空氣、過氧化氫和濃硝酸中的一種或多種；
10.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述煅燒的溫度為400℃~900℃，煅燒時間為30min~180min，煅燒氣氛為惰性氣氛，惰性氣體的流速為8mL/min~15mL/min。
11.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述碳源粉末包括導電炭黑BP2000、導電炭黑Vulcan?XC?72、科琴炭黑、石墨烯和碳納米管中的一種或多種；所述碳源粉末的直徑為5nm~300nm。
12.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述介孔碳載體在拉曼光譜中的G峰強度為IG、D峰強度為ID，且1.2≤IG/ID≤2.5。
13.一種介孔碳載體，其特征在于，通過權利要求1~12中任一項所述的介孔碳載體的制備方法制備得到。
14.一種燃料電池用催化劑，其特征在于，包括碳載體和負載在所述碳載體上的催化活性物質，所述碳載體包括權利要求1~12中任一項所述的介孔碳載體的制備方法制備的介孔碳載體。
...【技術特征摘要】
1.一種介孔碳載體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述通電處理包括依次進行的第一恒流通電和第二恒流通電；
3.根據權利要求2所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，在所述第二恒流通電之后，所述通電處理還包括一次或多次第三恒流通電；所述第三恒流通電的電流為2a~5a，電壓為2v~10v，通電時間為2min~30min，通電方式為直流、交流或脈沖。
4.根據權利要求3所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，相鄰的兩次恒流通電之間間隔10min以上。
5.根據權利要求2~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，在前一次恒流通電結束后且在下一次恒流通電開始前，還包括將所述碳源粉末取出進行重新裝料的步驟。
6.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述介孔結構包括第一級孔結構和第二級孔結構；所述第一級孔結構的孔直徑為d1，2nm≤d1<5nm；所述第二級孔結構的孔直徑為d2，5nm≤d2<50nm；所述第一級孔結構的孔容為所述介孔結構總孔容的40%~60%；所述介孔碳載體的外比表面積與內比表面積之比為0.4~0.6:1。
7.根據權利要求1~4中任一項所述的介孔碳載體的制備方法，其特征在于，所述將碳源粉末進行裝料包...
【專利技術屬性】
技術研發人員：宮雪，王丹，劉芳兵，
申請(專利權)人：中國第一汽車股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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