本發(fā)明涉及納米材料，具體涉及一種鐵鉑雙原子催化劑的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著化石燃料的消耗，能源短缺和污染嚴(yán)重已成為關(guān)系人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，可再生清潔能源的發(fā)展不可避免地成為研究熱點(diǎn)。在有前景的高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置中，質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)因其近零排放、廣泛的應(yīng)用范圍和高能量密度而被認(rèn)為是最理想的下一代能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。pemfc的能量轉(zhuǎn)換過程主要由緩慢的氧還原反應(yīng)(orr)動(dòng)力學(xué)決定，因?yàn)樯婕岸嗖劫|(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移。在氧還原過程中，氧分子通過二電子途徑轉(zhuǎn)化為h2o2，或者在堿性或酸性環(huán)境中通過四電子途徑分別還原為oh-或h2o。pt基材料由于良好的催化性能被認(rèn)為是促進(jìn)orr過程的理想催化劑，但高昂的費(fèi)用和資源的稀缺嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，提高pemfc性能的重要途徑之一在于開發(fā)具有較高鉑原子利用率的催化劑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種具有高活性、高穩(wěn)定性的鐵鉑雙原子催化劑，從而可以應(yīng)用于燃料電池的陰極催化層，進(jìn)而降低燃料電池的活化極化損耗、提高燃料電池的性能。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種鐵鉑雙原子催化劑的制備方法，至少包含以下步驟：

3、步驟1，將六水合硝酸鋅和醋酸鐵溶解到n,n-二甲基甲酰胺中，得到第一溶液，將2-甲基咪唑溶解到n,n-二甲基甲酰胺中，得到第二溶液；

4、步驟2，將所述第一溶液和第二溶液混合均勻得到第三溶液，將所述第三溶液在100℃～160℃下恒溫靜置后離心清洗，得到沉淀物，將所述沉淀物在30℃～60℃下真空干燥，得到第一前驅(qū)體；

5、步驟3，在第一保護(hù)性氣體的氣氛下，將所述第一前驅(qū)體放置于管式爐內(nèi)進(jìn)行熱還原，得到鐵-氮-碳材料；

6、步驟4，將所述鐵-氮-碳材料分散在溶液中，向所述溶液中加入金屬螯合劑和第二前驅(qū)體，超聲后去除溶劑，在第二保護(hù)性氣體的氣氛下，在管式爐中熱還原，得到鐵鉑雙原子催化劑。

7、較佳地，步驟1中，以質(zhì)量比計(jì)，所述六水合硝酸鋅：醋酸鐵＝8:1～2:1；所述2-甲基咪唑：六水合硝酸鋅＝8:1～1:1。

8、較佳地，步驟1中，所述第一溶液中六水合硝酸鋅的濃度為0.01m～0.1m，所述第二溶液中2-甲基咪唑的濃度為0.01m～0.2m。

9、較佳地，步驟3中，所述第一保護(hù)性氣體選自氮?dú)夂?或氬氣；步驟4中，所述第二保護(hù)性氣體選自氫氣、氮?dú)?、氬氣、甲烷、乙炔、乙烷、丙烷、氨氣、一氧化碳中的任意一種或任意兩種以上的組合。

10、較佳地，步驟3中，所述熱還原的溫度為900℃～1300℃，熱還原的時(shí)間為0.5h～8h；步驟4中，所述熱還原的溫度為200℃～400℃，熱還原的時(shí)間為0.1h～1h。

11、較佳地，步驟4中，所述金屬螯合劑選自1,10-菲羅啉、檸檬酸鈉、乙二胺四乙酸中的任意一種或任意兩種以上的組合。

12、較佳地，步驟4中，所述第二前驅(qū)體選自h2ptcl6、k2ptcl4、氯鉑酸銨、乙酰丙酮鉑中的任意一種或任意兩種以上的組合。

13、較佳地，步驟4中，所述去除溶劑的方法至少包含凍干法、自然風(fēng)干法、烘干法、水浴蒸發(fā)法、油浴蒸發(fā)法中的任意一種。

14、較佳地，所述鐵鉑雙原子催化劑中金屬組分的含量范圍為6％～60％。

15、本發(fā)明還提供了一種鐵鉑雙原子催化劑的應(yīng)用，所述鐵鉑雙原子催化劑用于制備燃料電池膜電極的陰極催化層。

16、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果至少包含：

17、(1)本發(fā)明首先將六水合硝酸鋅和醋酸鐵溶解到n,n-二甲基甲酰胺中，得到第一溶液，將2-甲基咪唑溶解到n,n-二甲基甲酰胺中，得到第二溶液，將第一溶液和第二溶液混合后，經(jīng)過離心干燥熱還原得到鐵-氮-碳材料，鐵原子與碳載體共同形成，相當(dāng)于鐵原子嵌入碳載體內(nèi)部，從而避免鐵原子與鉑原子形成fept合金，使得本發(fā)明制備得到的鐵鉑雙原子催化劑上的鐵原子與碳載體的結(jié)合力更強(qiáng)，使得合成得到的鐵鉑雙原子催化劑穩(wěn)定性更高。

18、(2)相對(duì)于商業(yè)pt/c，鐵鉑雙原子催化劑的活性更高，因?yàn)樘驾d體對(duì)活性位點(diǎn)pt的電子結(jié)構(gòu)會(huì)有所影響，從而影響催化劑的催化活性，故本發(fā)明的鐵鉑雙原子催化劑中碳載體與鉑原子存在協(xié)同效應(yīng)，使得合成得到的鐵鉑雙原子催化劑的活性更強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種鐵鉑雙原子催化劑的制備方法，其特征在于，至少包含以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中，以質(zhì)量比計(jì)，所述六水合硝酸鋅：醋酸鐵＝8:1～2:1；所述2-甲基咪唑：六水合硝酸鋅＝8:1～1:1。

3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述第一溶液中六水合硝酸鋅的濃度為0.01m～0.1m，所述第二溶液中2-甲基咪唑的濃度為0.01m～0.2m。

4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述第一保護(hù)性氣體選自氮?dú)夂?或氬氣；步驟4中，所述第二保護(hù)性氣體選自氫氣、氮?dú)?、氬氣、甲烷、乙炔、乙烷、丙烷、氨氣、一氧化碳中的任意一種或任意兩種以上的組合。

5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述熱還原的溫度為900℃～1300℃，熱還原的時(shí)間為0.5h～8h；步驟4中，所述熱還原的溫度為200℃～400℃，熱還原的時(shí)間為0.1h～1h。

6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述金屬螯合劑選自1,10-菲羅啉、檸檬酸鈉、乙二胺四乙酸中的任意一種或任意兩種以上的組合。

7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述第二前驅(qū)體選自h2ptcl6、k2ptcl4、氯鉑酸銨、乙酰丙酮鉑中的任意一種或任意兩種以上的組合。

8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4中，所述去除溶劑的方法至少包含凍干法、自然風(fēng)干法、烘干法、水浴蒸發(fā)法、油浴蒸發(fā)法中的任意一種。

9.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鐵鉑雙原子催化劑中金屬組分的含量范圍為6％～60％。

10.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的鐵鉑雙原子催化劑的應(yīng)用，其特征在于，所述鐵鉑雙原子催化劑用于制備燃料電池膜電極的陰極催化層。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鐵鉑雙原子催化劑的制備方法及應(yīng)用，所述制備方法至少包含以下步驟：步驟1，將六水合硝酸鋅和醋酸鐵溶解到N,N?二甲基甲酰胺中，得到第一溶液，將2?甲基咪唑溶解到N,N?二甲基甲酰胺中，得到第二溶液；步驟2，將第一溶液和第二溶液混合均勻得到第三溶液，將第三溶液恒溫靜置后離心清洗，得到沉淀物，將沉淀物真空干燥，得到第一前驅(qū)體；步驟3，將第一前驅(qū)體放置于管式爐內(nèi)進(jìn)行熱還原，得到鐵?氮?碳材料；步驟4，將鐵?氮?碳材料分散在溶液中，向溶液中加入金屬螯合劑和第二前驅(qū)體，超聲后去除溶劑，在管式爐中熱還原，得到鐵鉑雙原子催化劑。該鐵鉑雙原子催化劑具有高活性、高穩(wěn)定性，大大提升了燃料電池的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：高少杰,鄧呈維,杜瑋,劉靜,姬峰,劉勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上?？臻g電源研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2