[發(fā)明專利]坡縷石-碳復(fù)合材料的制備及作為催化劑載體的應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210008579.7
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102671713A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王榮方;王克亮;王輝;王星礫;答花花
• 申請（專利權(quán)）人: 西北師范大學(xué)
• 主分類號: B01J32/00
• 分類號: B01J32/00;B01J21/18;B01J23/44;B01J23/42;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 甘肅省知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)中心 62100
• 代理人: 張英荷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種坡縷石-碳復(fù)合材料；本發(fā)明還涉及該坡縷石-碳復(fù)合材料作為催化劑載體在制備燃料電池電極催化劑的應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而直接通過電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能量轉(zhuǎn)化率高、儲存和運(yùn)輸安全方便等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決目前能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，具有很好的應(yīng)用前景。由于其優(yōu)異的特性，使其廣泛應(yīng)用于航天、能源、環(huán)保、通訊等領(lǐng)域。

催化劑載體作為燃料電池催化劑重要的組成部分，直接影響燃料電池的性能、效率、穩(wěn)定性及使用壽命。目前，最普遍使用的催化劑載體是碳粉，但是它有諸多缺點(diǎn)，如金屬粒子與C之間的作用力弱、易團(tuán)聚、氣孔率低、加工時結(jié)構(gòu)易破壞等，阻礙反應(yīng)中間產(chǎn)物的傳導(dǎo)，使得催化活性位點(diǎn)相對減少，從而影響催化劑的性能。另外碳載Pt基、Pd基及其合金催化劑在長時間工作當(dāng)中，由于溫度、pH變化會導(dǎo)致C的氧化腐蝕產(chǎn)生，導(dǎo)致催化劑的活性大大降低。因此燃料電池催化劑載體的發(fā)展，對燃料電池的性能有很重要的影響，選擇具有大比表面積，并且表面含有活性基團(tuán)或原子的載體，可以提高催化劑的催化活性，降低催化劑的損耗，增加催化劑的壽命。近年來，人們從傳統(tǒng)的碳粉載體發(fā)展到碳納米管，并且用雜環(huán)原子修飾碳粉或碳納米管，以及提高碳粉的石墨化程度等方法用于制備高活性載體、長壽命催化劑。但是其制備過程復(fù)雜，制備條件要求苛刻，周期較長等，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。因此，選擇易得的天然物質(zhì)作為燃料電池催化劑載體顯得更加實(shí)際可行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種坡縷石-碳復(fù)合材料。

本發(fā)明的另一目的是提供一種以坡縷石-碳復(fù)合材料作為催化劑載體在制備燃料電池電極中的應(yīng)用。

本發(fā)明坡縷石-碳復(fù)合材料的制備，是由以下工藝步驟完成：

（1）預(yù)處理坡縷石：是將天然坡縷石加入到質(zhì)量濃度2~3%的H₂O₂溶液中，攪拌、超聲使其充分分散，然后在室溫攪拌20~24?h，過濾、洗滌，干燥，得坡縷石粉末；再將坡縷石粉末加入到2~3?mol/L硝酸溶液中，攪拌、超聲使其充分分散，然后在室溫攪拌20~24?h，過濾、洗滌，干燥，得到預(yù)處理坡縷石（簡寫為PLS）。

所述洗滌為采用三次水洗滌至中性，也可以采用乙醇、丙酮交替洗滌至中性。

（2）將預(yù)處理坡縷石與碳粉以1:1.5?~1:9的質(zhì)量比混合均勻，得到坡縷石-碳復(fù)合材料。

下面通過透射電鏡圖、X射線電子衍射圖及BET圖對本發(fā)明制備的坡縷石-碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行說明。

圖1為坡縷石預(yù)處理前后的透射電鏡圖（TEM，使用Tecnai?G220?STWIN透射電鏡，在加速電壓為200?kV條件下進(jìn)行測試，標(biāo)尺為100?nm。），圖中a為未處理坡縷石，圖b為處理后坡縷石。從圖1可以看出，坡縷石在處理前后發(fā)生了明顯變化，具體表現(xiàn)為尺寸變短，表面變得粗糙，這說明處理后的坡縷石作為載體一方面有了更大的比表面積；另一方面可以更好地吸附被催化的分子更有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖2為坡縷石預(yù)處理前后的X射線電子衍射圖（XRD），從圖中可以看出處理前后的坡縷石基本框架結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，Si-O-Si層也未被破壞，但是所含石英雜質(zhì)及碳酸鹽得到去除。這表明處理后的坡縷石得到了純化具有很好的作為載體的優(yōu)勢。

圖?3為本發(fā)明坡縷石-碳復(fù)合材料的BET圖（采用全自動比表面積及孔隙度分析儀，美國康塔公司），經(jīng)測試表明坡縷石-碳復(fù)合材料的比表面積達(dá)到了282.706?m²/g，而碳粉的比表面積為233.3?m²/g，處理后坡縷石的為254.185?m²/g，表明摻雜坡縷石后的碳粉（即坡縷石-碳復(fù)合材料）具有更大的比表面積，更具有作為催化劑載體的優(yōu)勢。

由于處理后坡縷石表面的活性氧可以與來自電解液的氫離子結(jié)合，形成OH_ad將催化過程中形成的CO_ad毒性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO₂并將載體表面的活性位點(diǎn)釋放出來，從而提高了催化效率，因此，發(fā)明坡縷石-碳復(fù)合材料是一種比較理想的制備燃料電池催化劑的載體。

下面以負(fù)載Pd催化劑為例說明以本發(fā)明制備的坡縷石-碳復(fù)合材料作為催化劑載體制備燃料電池電極Pt基、Pd及其合金基催化劑的催化性能進(jìn)行說明。