一种碳薄膜负载金属粒子及其制备方法与流程

本发明属于微纳米催化材料制备，具体涉及一种碳薄膜负载金属粒子及其制备方法。

背景技术：

1、目前全球气候问题日渐突出，为应对相应环境问题，传统碳基化石燃料的使用受到了一定的制约，目前我国也提出了双碳战略，可再生清洁能源的发展日益受到重视。

2、可再生清洁能源主要有风能、水能、太阳能、生物能、潮汐能、地热能、核能以及氢能等多种类型，而氢能因具有来源广、热值高、可储能、可发电、可发热等特征，被认为是解决能源问题的终极能源。

3、电解水制氢因具有制氢纯度高等特征，被认为是制氢的主要发展方式之一，而电解水催化剂的使用可有效降低能耗，提升制氢效率、降低成本，故开发一种简单、高效的高性能电解水用催化剂及其制备方法一直是研究的热点之一。而微纳米材料因具有独特的微纳米结构尺寸，往往体现出较大的活性比表面积，展现出较高的催化活性，有利于催化反应的进行；另一方面，对于电解水阴极反应，碳载体可进一步提升整个催化材料的导电性，提升金属元素原子利用率，从而提升催化性能，载体的结构稳定性也是影响催化性能的关键之一。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法。该方法先配制草酸溶液，然后加入金属盐超声搅拌，再依次经蒸干、烘干、研磨和热处理得到碳薄膜负载金属粒子，通过以草酸作为络合剂和碳源，获得具有自支撑结构的碳薄膜，促进了其负载的金属粒子活性组分的均匀分散，有利于碳薄膜负载金属粒子催化反应活性和稳定性的提升，解决了现有技术中金属粒子在碳载体上负载均匀性的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、将草酸加入去离子水中溶解并搅拌均匀，得到溶液a；

4、步骤二、将金属盐加入步骤一中得到的溶液a中，经超声、搅拌得到混合溶液b；

5、步骤三、将步骤二中得到的混合溶液b在高温下蒸干，得到固体c；

6、步骤四、将步骤三中得到的固体c烘干、研磨后，放置在氩气气氛中进行热处理，得到碳薄膜负载金属粒子。

7、本发明首先配制草酸溶液，然后将称量好的金属盐如氯钌酸铵、仲钨酸铵、钼酸铵、五氯化铌、五氯化钽加入到草酸溶液中，金属盐在草酸溶液中与草酸形成络合形态，确保了所有的金属盐均转化成离子进入溶液；然后将草酸盐混合溶液高温蒸干得到混合固体盐，再将混合固体盐在高温氩气气氛下热处理煅烧，草酸晶体在金属离子的作用下逐渐碳化并形成碳薄膜结构，而金属离子均匀分布在碳薄膜载体上形成金属活性组分。由于碳薄膜负载金属粒子中具有碳薄膜自支撑结构，有效保持了结构稳定性并提供较大的比表面积，有利于催化反应稳定性及活性的提升，适用于电解水阴极催化反应。

8、上述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤二中所述金属盐选自氯钌酸铵、仲钨酸铵、钼酸铵、五氯化铌、五氯化钽，且溶液a中的草酸与金属盐中总金属离子的摩尔比为10～20:1；步骤四中所述碳薄膜负载金属粒子中的金属粒子为钌、钨、钼、铌和钽中的一种或两种以上。本发明中选用的金属元素均涉及具有一定析氢性能的高价态金属离子，而且金属元素在酸性条件下本身具有较强的抗腐蚀能力，有利于酸性环境下碳薄膜负载金属粒子的稳定性存在。

9、上述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤三中所述蒸干的温度为130℃～200℃。该蒸干温度不仅有效去除混合溶液b中的水分，还促进了草酸与金属盐粒子的进一步均匀共混，为后续草酸在高温下经金属离子作用碳化提供均匀的碳化条件。

10、上述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热处理的温度为400℃～700℃，时间为3h～6h。本发明通过控制热处理的温度和时间，保证了草酸在热处理高温下经金属离子作用碳化形成碳薄膜，且碳薄膜在高温下组装在一起，形成自支撑结构。

11、同时，本发明还公开了一种碳薄膜负载金属粒子，其特征在于，由上述的方法制备而得。

12、本发明与现有技术相比具有以下优点：

13、1、本发明以草酸作为络合剂和碳源制备碳薄膜负载金属粒子，通过草酸溶液与金属盐溶液混合后蒸干热处理，确保了热处理反应过程中金属离子与碳源的均匀混合，有利于金属离子的充分均匀分散，提高了碳薄膜负载金属粒子的催化活性。

14、2、本发明以草酸为碳源，经热处理后草酸在金属离子的作用下形成碳薄膜结构，该碳薄膜为自支撑结构，具有较大的比表面积，可稳定存在，且可提供较大的比表面积和传质通道，有利于催化反应的进行，有利于碳薄膜负载金属粒子催化反应活性和稳定性的提升，适用于电解水阴极催化反应。

15、3、本发明的制备工艺简单，不产生废液，环保性高。

16、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤二中所述金属盐选自氯钌酸铵、仲钨酸铵、钼酸铵、五氯化铌、五氯化钽，且溶液a中的草酸与金属盐中总金属离子的摩尔比为10～20:1；步骤四中所述碳薄膜负载金属粒子中的金属粒子为钌、钨、钼、铌和钽中的一种或两种以上。

3.根据权利要求1所述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤三中所述蒸干的温度为130℃～200℃。

4.根据权利要求1所述的一种碳薄膜负载金属粒子的制备方法，其特征在于，步骤四中所述热处理的温度为400℃～700℃，时间为3h～6h。

5.一种碳薄膜负载金属粒子，其特征在于，由权利要求1～4中任一权利要求所述的方法制备而得。

技术总结本发明公开了一种碳薄膜负载金属粒子及其制备方法，该方法包括：一、将草酸加入去离子水中溶解并搅匀得到溶液A；二、将金属盐加入溶液A中经超声、搅拌得到混合溶液B；三、将混合溶液B在高温下蒸干得到固体C；四、将固体C烘干、研磨后放置在氩气气氛中进行热处理得到碳薄膜负载金属粒子。本发明通过以草酸作为络合剂和碳源，获得具有自支撑结构的碳薄膜，促进了其负载的金属粒子活性组分的均匀分散，有利于碳薄膜负载金属粒子催化反应活性和稳定性的提升，使其适用于电解水阴极催化反应，且制备工艺简单，不产生废液，环保性高。技术研发人员：张卜升,赵盘巢,郭俊秋,皮和木受保护的技术使用者：西北有色金属研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/18