一种氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体的制备方法。基于对原料浓度、反应温度、反应时间等合成条件的合理控制，首先采用模板法制备出氮掺杂中空介孔碳壳，然后通过水热法进一步在该碳载体表面生长PtNi合金八面体，得到氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体。氮掺杂中空介孔碳壳大的比表面积和丰富的孔隙结构不仅可以暴露更多与电解液接触的催化活性位点，而且有效解决了铂粒子聚集的问题，其高导电率也加速了氧还原反应的动力学进程。引入Ni元素形成PtNi合金八面体解决了铂用量高、原子利用率低的问题，降低了燃料电池催化剂的成本。该方法工艺简单、操作条件温和可控，所得材料在广泛pH范围内表现出优异的氧还原活性，具有良好的应用前景。好的应用前景。好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂的制备方法
[0001]本专利技术属于燃料电池电催化领域，特别涉及一种氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体的制备方法及其在广泛pH范围内燃料电池阴极氧还原中的催化应用。
技术介绍
[0002]燃料电池具有高功率密度、高效率、结构简单、启动快、零排放等优点，被认为是一种理想的清洁能源转换装置。目前，在碱性和酸性溶液中，碳负载铂(Pt)材料在加速阳极氢氧化反应(HOR)和阴极氧还原反应(ORR)方面是最有效的催化剂之一。然而，由于阴极ORR缓慢的动力学，以及在氧电极上较差的稳定性，通常需要高Pt负载才能维持其理想的电池性能，这将导致燃料电池的成本增加，从而阻碍了它们的商业化应用。更重要的是，只有与电子导体(碳)、质子导体(电解质)和反应气体接触的Pt粒子是电化学活性的，导致电极上的大部分Pt原子未能实现100％的有效利用。并且在燃料电池运行过程中，Pt颗粒存在容易发生迁移、团聚等导致活性降低等问题。因此，为了降低燃料电池催化剂的成本，研究人员通过构建Pt与过渡金属的多组分纳米合金，以此来减少催化剂中铂的用量，同时保持催化活性，得益于过渡金属的加入，有效削弱铂基催化剂对含氧物质的吸附能，这将更有利于产物的解吸。
[0003]另外，目前大多数的研究主要集中在碱性介质中的电催化行为，而在酸性介质(质子交换膜燃料电池)和中性介质(生物燃料电池)中仍存在氧还原活性低、耐久性差、易发生副反应等问题，且仅有少数碳材料可以承受酸性和中性介质的腐蚀，这也进一步限制了燃料电池的商业化发展。并且对于单一的碳材料而言，Pt纳米粒子与碳载体之间的弱相互作用容易使电子从Pt原子转移到碳载体上，导致Pt纳米粒子在碳载体表面团聚和迁移。而N掺杂碳材料不仅可以提供大的表面积，还可以增加边缘位置的可及性改善界面处的电子转移，有效解决铂颗粒的团聚的问题，进而提供更多的催化活性位点并用于氧吸附和分裂，这将显著提高燃料电池阴极催化活性和稳定性。因此，迫切需要研发一种适用于广泛pH范围内的高活性、持久稳定、耐腐蚀的铂基氮掺杂碳材料，并将其应用在商业碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池和生物燃料电池中是至关重要的。
技术实现思路
[0004]针对燃料电池中铂基催化剂的铂原子利用率低及铂颗粒易发生团聚的问题，本专利技术提出一种氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体的制备方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006](1)二氧化硅纳米球的制备：将去离子水、氨水分散在乙醇溶剂中，搅拌使其分散均匀并转移至圆底烧瓶中，随后快速加入硅酸四乙酯，充分搅拌一定时长；将得到的产物经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到二氧化硅纳米球。
[0007](2)包裹于二氧化硅表面的聚合物材料的制备：将盐酸多巴胺、步骤(1)得到的二氧化硅纳米球分散于乙醇和去离子水的混合溶液中，将所得到的混合液超声处理形成均匀
的分散液并转移至恒温水浴锅中，然后加入氨水充分反应一定时长，将所得的产物进经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到包裹于二氧化硅表面的聚合物材料。
[0008](3)氮掺杂介孔实心碳球的制备：将步骤(2)得到的包裹于二氧化硅表面的聚合物材料置入瓷舟中，随后将管式炉抽真空，并通入惰性气体，将管式炉升温后对包裹于二氧化硅表面的聚合物材料进行碳化处理，得到氮掺杂介孔实心碳球。
[0009](4)氮掺杂中空介孔碳壳的制备：将步骤(3)得到的氮掺杂介孔实心碳球分散于氢氧化钠水溶液中并转移至恒温水浴锅中，进一步刻蚀，将所得产物经离心、酸浸、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到氮掺杂中空碳壳。
[0010](5)氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂的制备：将步骤(4)得到的氮掺杂中空介孔碳壳分散于二甲基甲酰胺中，超声使其混合均匀，然后将乙酰丙酮铂、乙酰丙酮镍、苯甲酸依次加入上述分散液，随后转移至反应釜中，超声分散处理，封装外壳后，转移至真空烘箱中，恒温一定时长，自然降到室温；将表面生长PtNi八面体的氮掺杂中空介孔碳壳从反应釜内衬中取出，经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂。
[0011]优选的，所述步骤(1)中，去离子水的用量为2～10mL，氨水的浓度为10～28％，用量为0.2～2mL，分散去离子水和氨水所用的乙醇的体积为10～50mL，硅酸四乙酯的用量为0.5～2mL。
[0012]优选的，所述步骤(1)中，圆底烧瓶温度为常温即可，真空干燥箱的温度选为50～70℃。
[0013]优选的，所述步骤(1)中，反应时间为1～10h。
[0014]优选的，所述步骤(2)中，盐酸多巴胺的用量为0.2～1g，二氧化硅的用量为0.1～0.5g，乙醇的用量为20～80mL，去离子水的用量为10～100mL，氨水的浓度为10～28％，用量为0.5～1.5mL。
[0015]优选的，所述步骤(2)中，水浴锅的温度选为30～60℃，真空干燥箱的温度选为50～70℃。
[0016]优选的，所述步骤(2)中，反应时间为10～24h。
[0017]优选的，所述步骤(3)中，管式炉的升温速率设置为2～5℃/min，碳化反应的温度设置为700～900℃，保温时间设置为2～5h。
[0018]优选的，所述步骤(3)中，惰性气体可选氩气或氮气中的一种。
[0019]优选的，所述步骤(4)中，氢氧化钠水溶液的浓度为2～5mol/L，用量为20～50mL。
[0020]优选的，所述步骤(4)中，反应时间为12～24h。
[0021]优选的，所述步骤(5)中，氮掺杂中空碳壳的用量30～50mg，二甲基甲酰胺的用量为20～40mL，乙酰丙酮铂的用量为10～30mg，乙酰丙酮镍的用量为10～20mg，苯甲酸的用量为100～150mg。
[0022]优选的，所述步骤(5)中，真空烘箱的温度选为140
‑
180℃。
[0023]优选的，所述步骤(5)中，真空烘箱的保温时长为18～36h。
[0024]本专利技术的技术关键点在于：
[0025]该专利技术中采用氢氧化钠溶液刻蚀法制备的氮掺杂中空介孔碳壳，具有较大的比表
面积和丰富的孔隙结构，有利于活性位点的暴露和传质；氮掺杂中空介孔碳壳的高电导率有利于电子快速从电催化剂向电极转移，加速氧还原反应的电子转移过程，提升催化性能。此外，采用简便的水热法，在氮掺杂中空介孔碳壳表面生长PtNi合金八面体，独特的中空结构，有利于PtNi合金颗粒的均匀负载，可以有效缓解纳米颗粒的团聚现象，从而展现出更良好的催化性能。另外，该专利技术中所涉及的反应时间，反应温度，以及合成反应中投料量与投料比均为氧还原反应催化性能最佳时所用量。
[0026]本专利技术的优点及有益效果是：
[0027]1、本专利技术提出了一种氮掺杂中空介孔碳壳载P本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)二氧化硅纳米球的制备：将去离子水、氨水分散在乙醇溶剂中，搅拌使其分散均匀并转移至圆底烧瓶中，随后快速加入硅酸四乙酯，充分搅拌一定时长；将得到的产物经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到二氧化硅纳米球；(2)包裹于二氧化硅表面的聚合物材料的制备：将盐酸多巴胺、步骤(1)得到的二氧化硅纳米球分散于乙醇和去离子水的混合溶液中，将所得到的混合液超声处理形成均匀的分散液并转移至恒温水浴锅中，然后加入氨水充分反应一定时长，将所得的产物进经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到包裹于二氧化硅表面的聚合物材料；(3)氮掺杂介孔实心碳球的制备：将步骤(2)得到的包裹于二氧化硅表面的聚合物材料置入瓷舟中，随后将管式炉抽真空，并通入惰性气体，将管式炉升温后对包裹于二氧化硅表面的聚合物材料进行碳化处理，得到氮掺杂介孔实心碳球；(4)氮掺杂中空介孔碳壳的制备：将步骤(3)得到的氮掺杂介孔实心碳球分散于氢氧化钠水溶液中并转移至恒温水浴锅中，进一步刻蚀，将所得产物经离心、酸浸、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到氮掺杂中空碳壳；(5)氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂的制备：将步骤(4)得到的氮掺杂中空介孔碳壳分散于二甲基甲酰胺中，超声使其混合均匀，然后将乙酰丙酮铂、乙酰丙酮镍、苯甲酸依次加入上述分散液，随后转移至反应釜中，超声分散处理，封装外壳后，转移至真空烘箱中，恒温一定时长，自然降到室温；将表面生长PtNi八面体的氮掺杂中空介孔碳壳从反应釜内衬中取出，经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤多次后，置于真空燥箱中干燥，得到氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂。2.根据权利要求1所述的氮掺杂中空介孔碳壳载PtNi合金八面体催化剂的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，所述的去离子水的用量为2～10mL，氨水的浓度为10～28％，用量为0.2～2mL，分散去离子水和氨水所用的乙醇的体积为10～50mL，硅酸四乙酯的用量为0.5～2mL。3.根据权利要求1所述的氮掺杂中空介孔碳壳载P...
【专利技术属性】
技术研发人员：耿东生，成伽润，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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