一种N、S共掺杂的碳纳米球催化剂载体及制备和应用的制作方法

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种n、s共掺杂的碳纳米球催化剂载体及制备和应用。

背景技术：

1、燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的电化学装置，以其高效的能量转化、对环境的低影响、燃料使用的灵活性和快速启动的特性，成为了可持续能源领域的重要技术。在质子交换膜燃料电池中，高载量的碳载铂催化剂是膜电极的核心组件，其性能直接决定了燃料电池的整体效率和运行稳定性。碳载铂催化剂主要由铂纳米颗粒和载体碳构成，铂颗粒的电催化性能受到多种因素的影响，而载体的选择尤为重要。理想的催化剂载体不仅需要具备制备简单、成本低廉的特点，还应具备优良的电子导电性、较大的比表面积、合理的孔结构以及出色的耐腐蚀性能。此外，载体的稳定性和与铂颗粒的相容性也会对催化剂的长期性能产生影响，例如，传统的多孔碳载体是在其不规则的表面负载铂纳米粒子，这会使得铂纳米粒子易团聚，从而在长时间的使用后活性组分失活。葡萄糖作为一种价格低廉的生物质材料由于具有优异的导电性近些年来已被广泛应用。由于葡萄糖在水热的条件下会发生自发聚合，最终形成一种球形的碳材料，使得葡萄糖在碳载体的大家庭中占有了一席之地。通过在碳材料上掺杂n、s等元素已经被公认可以作为提升电化学性能的手段之一。

2、中国专利cn108557803a，一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球、制备方法及其应用，所述碳纳米球，包括以下原料：碳源、氮源、硫源、石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂kh-57、α-烯基磺酸钠、乙烯-丙烯酸共聚物，所述碳纳米球是经过混合、研磨粉碎、微波反应等步骤制成的。但是该专利制备工艺相对危险且复杂、制备条件苛刻，碳材料电化学性能较差、比表面积较低，选用原料有毒性且价格昂贵，总体成本偏高。

3、中国专利cn110911696a，一种铂碳催化剂、其制备方法及在燃料电池阴极催化剂的应用，包括：1)配制糖的水溶液，调节ph值至5～9，然后采用该溶液进行水热碳化反应，干燥，得到碳载体材料；2)配制葡萄糖和铂前驱体的混合溶液，对该混合溶液加热；3)加入碳载体材料的分散液，调节ph值至3～10，升温，反应；4)冷却并分离反应产物，得到铂碳催化剂前驱体；5)煅烧，得到铂碳催化剂。但该专利是单独的葡萄糖碳源的制备，并未有掺杂其他的元素，所以得到的碳源催化剂载体后续的电化学性能会偏低，达不到预期的需求。

4、因此，如何得到一种碳源价格合适、载体形貌与导电性等这些因素都比较高且同时可以提高燃料电池的整体效率和使用寿命的催化剂载体，迫在眉睫。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种n、s共掺杂的碳纳米球催化剂载体及制备方法和应用，以解决上述的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、根据本发明第一方面提供的一种n、s共掺杂的碳纳米球催化剂载体的制备方法，包括：

4、步骤一，将葡萄糖与溶剂搅拌混合后进行超声分散数小时，得到前驱体均相溶液；

5、步骤二，将前驱体进行水热处理，水热处理完成后进行洗涤、离心、干燥，得到前驱体粉末；

6、步骤三，将前驱体粉末分别依次浸渍含有氮源的溶液和硫源的溶液，得到n、s共掺杂的前驱体；

7、步骤四，将浸渍后的粉末在氮气氛围下进行热处理，得到应用于燃料电池催化剂的碳载体。

8、需要说明的是，在步骤三中，可以依次浸渍含有氮源和硫源的溶液，顺序没有严格要求。无论是先浸渍氮源溶液再浸渍硫源溶液，还是先浸渍硫源溶液再浸渍氮源溶液，对结果影响不大。

9、本发明选用的碳源为葡萄糖，采购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司、上海麦克林生化科技股份有限公司或国药集团化学试剂有限公司等。

10、进一步的，所述步骤一中，溶剂为去离子水和有机醇，常用的有机醇均可，作为示例优选有机醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或几种。

11、进一步的，所述步骤一中，葡萄糖与溶剂的质量比为1∶20～85。

12、进一步的，所述步骤一中，超声分散的时间为10～90min。

13、进一步的，所述步骤二中，水热处理的温度为100～200℃，水热处理时间为5～24h。

14、进一步的，所述步骤二中，离心的速率为5000～15000rpm，离心的时间为2～10min；干燥的温度为50～100℃，干燥的时间为1～12h。

15、进一步的，所述步骤三中，氮源选自双氰胺、三聚氰胺、尿素中的一种或几种；所述步骤三中，硫源为硫脲、硫代硫酸钠、l-半胱氨酸、甲硫氨酸中的一种或几种。

16、所述氮源和硫源的溶液浓度均为0.01mol l-1～10mol l-1；所述浸渍时间均为10min～240min。

17、进一步的，所述步骤四中，热处理的具体步骤为：在氮气的条件下，控制温度速率升温后进行热处理后得到所述应用于燃料电池催化剂的碳载体。

18、作为示例，所述热处理的具体步骤为：

19、在氮气的条件下，以1～10℃/min的升温速率升温至800-900℃热处理30～180min后得到所述应用于燃料电池催化剂的碳载体。优选热处理温度为850℃。

20、所述步骤四中，热处理后还需要使用去离子水进行洗涤，然后进行过滤、干燥；

21、干燥的温度为50～100℃，干燥的时间为1～12h。

22、根据本发明第二方面提供的一种n、s共掺杂的碳纳米球催化剂载体，所述催化剂载体是由如上方法制备而成。

23、根据本发明第三方面提供的一种n、s共掺杂的碳纳米球催化剂载体在燃料电池催化剂中的应用。

24、本发明将上述制备方法制备的碳载体进行燃料电池碳催化剂的制备，该催化剂采用液相乙二醇还原法，包括以下步骤：取葡萄糖碳载体，加入乙二醇，进行超声分散，然后加入氯铂酸水溶液，调节ph，将混合液于常温下搅拌，在氮气的氛围下，反应，待反应结束后将混合溶液离心并用去离子水洗涤，直到不含有cl-，最后真空干燥，得到所需催化剂。

25、作为示例：取0.05～0.15g葡萄糖碳载体，加入40-60ml乙二醇，进行超声分散0.5～1.5h，然后加入0.3～1ml氯铂酸水溶液(1.5～2.5mg/ml)，调节ph为8～10。将混合液于常温下搅拌15～40min，在氮气的氛围下，98-100℃下反应2-6h，待反应结束后将混合溶液离心并用去离子水洗涤，直到不含有cl-，最后在60-100℃真空干燥8-12h，得到所需催化剂。

26、再优选，取0.1g葡萄糖碳载体，加入50ml乙二醇，进行超声分散1h，然后加入0.5ml氯铂酸水溶液(2mg/ml)，调节ph为9左右。将混合液于常温下搅拌30min，然后置于三口烧瓶中，在氮气的氛围下，100℃下反应4h，待反应结束后将混合溶液离心并用去离子水洗涤，直到不含有cl-，最后在80℃真空干燥10h，得到所需催化剂。

27、本发明具有如下优点：

28、本发明选用葡萄糖作为碳源来制备碳载体，碳载体来源价格低廉，且后续的处理工艺简单，可重复性强，实用性高；本发明制备得到的碳载体有较大的比表面积和丰富的介孔结构，同时具有规则的球形形貌，易于负载铂纳米粒子，进一步改善团聚现象；采用改性碳载体制备的催化剂性能优异。