本发明属于燃料电池，具体涉及一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和用途。
背景技术：
1、氢能作为一类取代化石燃料的重要能源形式，因其零排放、超高的能量密度(143kj·kg-1)、环境友好、可持续利用等优点被视为一种有前景的可替代的能源载体。基于可再生能源的氢能经济体系，包括制氢、储氢和氢能转化为电能等，其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)作为高效的能源转换装置在氢能经济中拥有重要的地位。pemfc以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料的化学能转变为电能，具有能量转化效率高、零排放、无噪声、快速换料和低前期成本的优点，可以作为重型车辆、长途运输，以及其他商用车辆，如叉车的动力电源，是目前研究的焦点。根据现阶段的研究水平，燃料电池的性能差、稳定性欠缺和高成本问题，限制其规模化应用。
2、质子交换膜燃料电池的阴极氧还原反应（orr）和阳极的氢氧化反应（hor）高度依赖于价格较高的商业化催化剂pt/c。目前的商业化pt/c由于本身pt的储量稀少、在运行中面临ostwald熟化引起的团聚和阴极侧缓慢的四电子反应动力学限制的pefmc这一可再生能源技术的广泛应用。因此，如何提高pt催化剂性能的同时，降低材料成本成为近些年来的研究热点。
3、目前为了改善基于pt基orr催化剂的催化性能，已经着力于开发具有各种可调尺寸、化学组成pt纳米材料，利用表面应力应变、表面掺杂、几何工程、界面工程等提高其本征活性。此外，通过在碳载体直接原位合成高度分散和高金属密度pt基催化剂可以减少膜电极催化层的厚度，减少高电流密度下的传质损失。
4、研究结果显示，将合金化的pt-m（fe，co，ni，au等等）纳米颗粒原位生长在碳基底上，可有效调节其表面电子结构，提高其导电性和促进电荷的快速转移，从而提高其本征活性；同时，动力学上与二维纳米碳材料进行复合是一种可行的策略，二维多孔纳米碳材料可以有效地提升催化剂的导电性，提供较大的比表面积，暴露更多的催化位点，增强活性物种的稳定性。同时，将杂原子（如n，p，s，f等）掺杂到碳基底中可调节附近的碳原子的电子结构，有效地增强催化剂和载体的相互作用。然而，通常这类材料的制备过程往往耗时持久、制备过程繁琐、且批次产量较少。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料，以解决负载pt3ni纳米颗粒的氮掺杂碳纳米材料稳定性较差的问题。
2、本发明的目的在于提供一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料的制备方法，以解决现有技术中制备方法过程繁琐的问题。
3、本发明的目的在于提供一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料的用途，以解决燃料电池中pt基orr催化剂的催化性能较低的问题。
4、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5、一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
6、s1、制备pt2+/ni2+/苯胺/kcl混合溶液；pt2+/ni2+/苯胺/kcl混合溶液中包括kcl、h2o、c2h5oh、苯胺、乙酰丙酮铂和乙酰丙酮镍；
7、s2、将pt2+/ni2+/苯胺/kcl混合溶液超声分散，经过蒸干，研磨，得到固体前驱体粉末；
8、s3、将所述固体前驱体粉末在惰性气氛下热处理，去离子水离心洗涤、真空干燥，得到一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料。
9、本发明中以乙酰丙酮铂、乙酰丙酮镍为金属源，苯胺为碳氮源（乙酰丙酮配体同时作为配体和碳源），kcl作为二维层状盐模板，首先通过金属前驱体与氨基分子之间的作用机制（配位作用/静电吸附作用），形成pt-m-苯胺配合物。然后在kcl溶液重结晶的过程得到微米级别立方体的盐模板，金属前驱体与苯胺形成的配合物在盐模板的表面沉积形成二维pt2+/ni2+/苯胺/kcl复合金属-有机前驱体，均匀包覆在kcl晶体表面。
10、金属-有机前驱体经过一步或分布热解之后得到分级多孔碳基底，结构可以集成了不同尺寸孔隙结构的优点：可以借助小尺寸孔隙的高比表面积优势，促进功能位点的分散并提供较大的可接触面积，同时也可以通过大尺寸孔隙实现高效的物质传输。惰性氛围的炭化制备得到二维层状碳纳米结构，碳纳米片负载的pt3ni超细纳米颗粒。该材料形貌规整，均匀且存在孔洞，其中的pt3ni异质结纳米粒子具有较小的尺寸，并均匀地嵌入在碳纳米片的表面。此外，所述的碳纳米片中含有丰富的n元素，由于碳纳米片与活性物质pt3ni纳米颗粒的组分与结构优势，所得到的材料具有较高的氧还原活性及优异的稳定性能。
11、进一步地，pt2+/ni2+/苯胺/kcl混合溶液中kcl、h2o、c2h5oh、苯胺、乙酰丙酮铂和乙酰丙酮镍的用量比为0.8-1.0g：6ml：6ml：2-3ml：4.5mmol：1.5mmol。
12、进一步地，pt2+/ni2+/苯胺/kcl混合溶液的制备过程为：
13、将kcl、h2o和c2h5oh混合，随后加入苯胺超声分散，继续加入乙酰丙酮铂和乙酰丙酮镍；在室温下经过机械搅拌12h，使其混合均匀，无两相界面，得到pt2+/ni2+/苯胺/kcl溶液。
14、进一步地，蒸干过程在温度为60-100℃、真空条件下进行。
15、进一步地，研磨处理，是在玛瑙研钵中进行，研磨0.5-3h至无明显颗粒。
16、进一步地，所述惰性气氛下热处理，是以1-15℃/min的速率升温至400-1000℃，保温1-8h。
17、进一步地，所述惰性气氛包括n2、ar、he、co2中的一种。
18、一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料，由上述制备方法制备而成。
19、一种负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料，在燃料电池中作为酸性氧还原反应催化剂的应用。
20、本发明的有益效果：
21、1）本发明制备的负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料，具有优异的电化学活性和较多的催化活性位点；
22、2）本发明制备的负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料的二维多孔碳片上形成致密的孔洞，使催化剂材料具有较大的比表面积，同时碳基材料的多孔结构能够有效地促进电解液与催化剂的接触，形成丰富三相界面，有利于反应的电子物质传输；
23、3）本发明制备的负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料上的纳米颗粒和碳片的共平面结构促进电子和离子的快速传输，提高催化反应速率，促进反应物的反应和产物的快速产出；
24、4）本发明制备的负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料能够有效地锚定活性金属材料pt3ni，使其在反应过程中不易发生团聚和脱落的现象，有利于维持二维复合结构的完整性；
25、5）本发明中选取具有较高氮含量的苯胺作为碳氮源（乙酰丙酮也成为碳源），通过高温炭化还原生成具有更高的石墨化程度和更好的热稳定性的碳载体，氮的掺入可有效地改变碳载体的导电性，从而提高材料的氧还原性能。
26、综上，本发明通过简便、可实现规模化生产的固相碳化技术，利用配位化学机制及高温炭化热还原制备二维复合结构的碳纳米片负载的pt3ni电催化剂材料；本发明所选用的苯胺、kcl廉价易得，与传统制备氧还原催化剂材料的方法相比，该方法工艺简单易行、成本降低、操作简单、可实现大规模生产；本发明所制得的产物形貌规整，pt3ni结纳米粒子尺寸均一地负载于二维复合碳纳米材料中，所制得的材料具有活性位点多、半波电位高以及稳定性良好和开放结构等特点，与常规的pt基合金材料相比，所制备的负载pt3ni颗粒的氮掺杂碳纳米材料具备更为优异的结构特点和组分优势，是一种极有潜力的氧还原电催化剂材料。