[發明專利]一種炭載鈀納米催化劑及其制備方法

無效

• 申請號: 201210384807.0
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN102916201A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 曹劍瑜;宋玲政;湯佳麗;陳智棟;許娟;王文昌
• 申請（專利權）人: 常州大學;常州市江工闊智電子技術有限公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J23/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及能源、催化及相關技術領域，特別涉及到質子交換膜燃料電池陽極電催化劑及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種高效的電化學發電裝置，將化學能直接轉化為電能。具有能量轉換效率高、能量密度高、環境友好和可靠性高等突出特點。燃料電池技術的研究受到了世界各國的廣泛重視。有調查顯示2008年全球的便攜式設備用燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）分別占總市場的70%和24%。氫氣屬于易爆、易燃的危險性氣體，氫氣的體積能源密度僅為39.1W·h·L^-1。儲氫困難和攜帶不安全性極大地限制了PEMFC的發展與應用。直接甲醇燃料電池以液態的甲醇為燃料，理論體積能量密度可達4900W·h·L^-1，具有極大的商業化應用前景。然而采用甲醇為燃料時，存在著陽極催化劑對甲醇氧化的電催化活性偏低，易被甲醇氧化的中間產物毒化；甲醇對質子交換膜較高的滲透性導致既浪費燃料又會在陰極形成“混合電位”，從而降低電池的性能。為提高甲醇的利用率和保證良好的電池性能，通常只能使用低濃度的甲醇，導致DMFC續航能力差，需要頻繁更換燃料。此外，甲醇具有一定的毒性，易燃、易揮發。

與甲醇相比，甲酸也比甲醇更易被氧化；甲酸作為一種電解質可以提高陽極室的質子電導率，降低電池內阻；甲酸的可燃性低，便于存儲和運輸，也沒有毒性；甲酸溶液中的HCOO-與Nafion膜中的磺酸基團間存在排斥作用導致甲酸對質子交換膜的滲透率遠小于甲醇。甲酸作為燃料時，其使用濃度可以遠高于甲醇，且催化劑不容易被毒化。因此，直接甲酸燃料電池（DFAFC）有望取代DMFC，應用于微型電源、便攜式電源等領域。DFAFC的陽極催化劑一般采用炭載鈀（Pd/C）納米粒子。該類催化劑具有良好的氧化甲酸的電催化活性，一般不生成毒化中間體，但是其長期穩定性較差，隨著反應進行，鈀粒子表面易形成氧化物而導致活性降低甚至失效。一般可以通過合金化、炭載體的改性和制備技術的改進的多種途徑提高納米鈀催化劑的活性和穩定性。

發明內容：

本發明要解決的技術問題是克服現有炭載鈀納米催化劑電催化活性和穩定性偏低的缺點。

為解決這一問題，本發明提供的技術方案是：

本發明提供了一種炭載鈀納米催化劑，該催化劑是納米鈀均勻負載于改性炭載體中的復合材料，具有1800mA·mg^-1_Pd以上的對甲酸電氧化的質量比活性，其中Pd的質量百分數為10~60%，

作為優選：改性炭載體是采用液相兩步氧化法改性而成，具有含氧官能團，孔徑范圍為5~30nm，比表面積范圍在50~600m²g^-1，

所制備的納米催化劑能夠在質子交換膜燃料電池、直接甲酸燃料電池、直接甲醇燃料電池和直接乙醇燃料電池等領域得到廣泛的應用。

本發明還提供了一種制備上述炭載鈀納米催化劑的方法，其中，改性炭載體的制備方法是液相兩步氧化法。

炭載鈀納米催化劑制備方法的步驟為：

（1）第一步氧化：按質量比混合炭載體、吸水劑和氧化劑1，并加入硫酸或磷酸溶液作為分散介質，在加熱條件下攪拌，使反應完全，加去離子水稀釋、真空過濾、水洗、真空干燥。

作為優選：氧化劑1為過硫酸鉀、過硫酸鈉、過硫酸銨、氯酸鉀、過氧苯甲酰或硝酸；

作為優選：炭載體：吸水劑：氧化劑1的質量比為1：1.2-1.8：0.5-2，

吸水劑為五氧化二磷，五氧化二磷為強吸水劑，讓反應體系保持絕對無水環境；

作為優選：加入的硫酸或磷酸溶液的質量是炭載體質量的12-15倍；

作為優選：硫酸或磷酸溶液的質量分數為95-98%；

（2）第二步氧化：稱取氧化劑2與第一步氧化的產物混合，加入硫酸或磷酸溶液作為分散介質，攪拌使充分反應，加去離子水稀釋，接著滴加過氧化氫至混合體系，得到亮黃色溶液，將反應液抽濾，先用稀鹽酸洗滌，再水洗至濾液呈中性，并用硝酸銀溶液檢驗至濾液中無氯離子存在，真空干燥，得到改性炭載體。

作為優選：氧化劑2為高錳酸鉀、重鉻酸鉀、氯酸鉀、硝酸或過氧苯甲酰；

作為優選：加入的氧化劑2的質量是炭載體質量1.5-10倍；

作為優選：加入的硫酸或磷酸溶液的質量是炭載體質量的50-80倍；

作為優選：洗滌用鹽酸的質量分數為1-2%；