一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法与流程

本发明涉及pt/c催化剂领域，尤指一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法。

背景技术：

1、近年来随着国家脱碳的强烈需求与世界格局变化的影响，新能源成为世界上各个国家关注的重点发展领域，这其中氢能和燃料电池技术因具有高能量转换效率和应用过程中无污染物排放而受国家政策推动发展迅猛。质子交换膜燃料电池技术(pemfc)是现在最接近商业化的氢能利用技术，目前世界上利用该技术已经实现了多辆商用车与乘用车的发布，其中最出名的就是丰田在2014年推出的世界上第一辆商业氢乘用车——mirai氢燃料电池乘用车。然而尽管氢燃料电池车已经发布近十年，但是由于氢燃料电池系统的成本高昂，价格为燃油车的2倍及以上，很大程度上阻碍了这项技术的商业化进程。

2、铂碳(pt/c)催化剂是氢燃料电池中最重要的材料之一，同时也是燃料电池电堆中成本占比最高的部分。pt/c催化剂高昂的成本直接限制了氢燃料电池成本，因此为了实现氢燃料电池的真正商业化，对pt/c催化剂的研究一直是氢燃料电池领域的热点。

3、为了研究pt/c催化剂，需要对pt/c催化剂的电化学性能进行测试，研究方法是将pt/c催化剂制备成催化剂浆料并均匀的涂敷在玻碳电极上，使用旋转圆盘电极装置进行测试。然而催化剂的电化学测试结果不仅与pt/c催化剂的催化活性相关，催化剂浆料的制备方法也会影响测试的最终结果。

4、为了得到催化剂的最优测试结果，需要找到合适的催化剂浆料制备方案。一般来说，对pt/c催化剂的研究都集中在pt/c催化剂的制备技术的探索，在配置成浆料后进行电化学测试的步骤往往会有不同的配置方案，导致得到的pt/c催化剂的测试结果并不能很准确的代表pt/c催化剂的真实电化学性能。

5、目前pt/c催化剂的催化活性还有待进一步提高(现有的催化剂的质量活性0.223a/mg(氧还原质量活性pt@0.9v rhe))。目前提高催化活性的常用方法(常规的提高pt含量的方法是原料配比中直接增加pt的占比)是提高pt的含量(现有的催化剂中pt的含量是50％-70％)，这种方法会成本较高(现有的这种方法成本是300元/g)。

6、因此基于pt/c催化剂的情况下，如何降低成本且提高其催化活性的研究方向则极为重要。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂，提高催化剂的本征催化活性。氮元素和磷共掺杂会改变pt/c催化剂催化中心的电子结构，从而增强对反应中间物种的吸附，从而提高催化活性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，

3、包括以下步骤：

4、步骤一、将吡咯和去离子水以质量比为1：2～1：50的比例混合，并搅拌1～10小时；

5、步骤二、在搅拌情况下，将植酸逐滴缓慢加入上述步骤一所制溶液中，之后加入h2ptcl6·6h2o，并且搅拌1～10小时；加入植酸与吡咯的质量比为1：0.1～1：10，加入h2ptcl6·6h2o与吡咯的质量比为1:0.5～1:20；

6、步骤三、将过硫酸铵和去离子水以质量比为1:5～1:50的比例混合，搅拌0.1～10小时，使过硫酸铵充分溶解在去离子水中并构成过硫酸铵溶液；

7、步骤四、在搅拌情况下，将过硫酸铵溶液逐滴缓慢加入上述步骤二所制溶液中，并生成pt掺杂导电聚吡咯凝胶；其中加入过硫酸铵与吡咯的质量比为1:0.1～1:10；

8、步骤五、将上述步骤四所制得pt掺杂导电聚吡咯凝胶进行冷冻干燥，之后进行研磨得到固体粉末；

9、步骤六、采用程序升温法煅烧步骤五得到的固体粉末，得到氮/磷共掺杂铂碳催化剂。

10、优选地，在步骤一中，吡咯和去离子水以质量比为1:10-1:50的比例混合。

11、优选地，在步骤二中，加入植酸与吡咯的质量比为1:1-1:10。

12、优选地，在步骤五中，该冷冻干燥过程是在-40℃到～-90℃下进行，同时冷冻干燥时间为6～48小时。

13、优选地，在步骤六中，采用两段煅烧，其中第一段煅烧温度为100℃，煅烧时间为0.5～3小时，煅烧时的升温速率为2～10℃/min，煅烧时所用惰性气体为10％氢气；第二段煅烧温度为710～1200℃，煅烧时间为0.5～4小时，煅烧时的升温速率为2～10℃/min，煅烧时所用10％氢气。

14、优选地，在步骤6制备得到的氮、磷共掺杂铂碳催化剂由碳元素、氮元素、磷元素、氧元素和铂元素组成，其中铂元素含量为为5％～70％。

15、本发明的有益效果在于：提高pt/c催化剂的催化活性和降低pt/c催化剂中的pt含量(提高pt的分散性，暴露出更多活性位点的pt，可降低成本(本案的成本可降低到150-200元/g)(本申请中，催化剂的活性是0.3a/mg(氧还原质量活性pt@0.9v rhe))。

技术特征：

1.一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤一中，吡咯和去离子水以质量比为1:10-1:50的比例混合。

3.根据权利要求1所述的一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤二中，加入植酸与吡咯的质量比为1:1-1:10。

4.根据权利要求1所述的一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤五中，该冷冻干燥过程是在-40℃到～-90℃下进行，同时冷冻干燥时间为6～48小时。

5.根据权利要求1所述的一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤六中，采用两段煅烧，其中第一段煅烧温度为100℃，煅烧时间为0.5～3小时，煅烧时的升温速率为2～10℃/min，煅烧时所用惰性气体为10％氢气；第二段煅烧温度为710～1200℃，煅烧时间为0.5～4小时，煅烧时的升温速率为2～10℃/min，煅烧时所用10％氢气。

6.根据权利要求1所述的一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，其特征在于：在步骤6制备得到的氮、磷共掺杂铂碳催化剂由碳元素、氮元素、磷元素、氧元素和铂元素组成，其中铂元素含量为为5％～70％。

技术总结
本发明涉及Pt/C催化剂领域，尤指一种氮、磷共掺杂铂碳催化剂的制备方法，提高Pt/C催化剂的催化活性和降低Pt/C催化剂中的Pt含量(提高Pt的分散性，暴露出更多活性位点的pt，可降低成本(本案的成本可降低到150‑200元/g)(本申请中，催化剂的活性是0.3A/mg(氧还原质量活性Pt@0.9VRHE))。

技术研发人员：王辉强,张冉冉,赵建伟
受保护的技术使用者：深圳华算科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24