[發明專利]一種金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201210508700.2
• 申請日: 2012-12-03
• 公開（公告）號: CN102969514A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 杜春雨;譚強;尹鴿平;左朋建;程新群;馬玉林
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J23/63;B01J23/66;B01J23/44;B01J23/62
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及一種具有核殼結構的納米燃料電池催化劑及其制備方法。

背景技術

聚合物電解質膜燃料電池是一種將化學能轉化為電能的發電裝置，它具有能量轉換率高、環境友好、室溫啟動速度快、比功率和比能量高等突出特點，被公認為是未來主流的供電裝置之一，但是貴金屬催化劑的大量使用導致成本居高不下是限制聚合物電解質膜燃料電池大規模應用的核心問題。

近年來，具有核殼結構的納米材料由于其特殊的結構吸引了廣泛關注，目前制備的核殼結構納米催化劑最常見的是金屬包覆金屬的雙金屬核殼結構催化劑。該催化劑的缺點是其內核一般仍為Au、Pd等貴金屬，達不到降低催化劑成本的目的；而如果內核采用非貴金屬，在長期的工作過程中，內核的非貴金屬會發生化學和電化學等溶解現象，降低催化劑的穩定性；因此現有的燃料電池催化劑存在不同時具備高催化活性、穩定性和催化劑成本低的問題。

發明內容

本發明是要解決現有的燃料電池催化劑存在不同時具備高催化活性、穩定性和催化劑成本低的問題，而提供一種金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑及其制備方法。

本發明一種金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑是外殼均勻包覆金屬、內核為氧化物納米顆粒的納米核殼結構催化劑，所述的外殼均勻包覆金屬的厚度為1nm~20nm，所述的氧化物納米顆粒的粒徑為1nm~200nm。

一種金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、制備均一透明穩定的混合溶液：將氧化物納米顆粒在功率為20W~1000W、頻率為20kHz~80kHz的條件下超聲分散于油相溶劑中，得到氧化物納米顆粒濃度為0.001mol/L~1mol/L的分散液，然后依次加入相轉移劑、中間相及水相，并繼續超聲分散10min~120min，得到均一透明穩定的混合溶液；二、共混攪拌：在攪拌速度為100rpm~1000rpm的條件下將金屬外殼前驅體水溶液逐滴加入步驟一得到的均一透明穩定的混合溶液中，加完后繼續攪拌10min~60min，得到共混物；三、加入還原劑：在攪拌速度為100rpm~1000rpm的條件下將還原劑加入步驟二得到的共混物中，混勻后在水浴溫度為0℃~80℃下、攪拌速度為100rpm~1000rpm條件下繼續攪拌反應2h~24h，得到產物混合溶液；四、加入萃取劑：將萃取劑加入步驟三得到的產物混合溶液中，在攪拌速度為100rpm~500rpm條件下攪拌3h~12h后靜置，取上層油相并以3000rpm~15000rpm的轉速離心處理，即得到生成物；五、離心洗滌及干燥：在轉速為3000rpm~15000rpm的條件下，用正己烷/乙醇溶液對步驟四得到的生成物進行離心洗滌3次~15次，在溫度為50℃~80℃真空干燥3h~12h，即得到金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑；步驟一中所述的油相溶劑與中間相的體積比為1:(5~15)；步驟一中所述的油相溶劑與水相的體積比為1:(15~30)；步驟一中所述的相轉移劑的物質的量與氧化物納米顆粒的物質的量比為(150~300):1；步驟二中所述的金屬外殼前驅體水溶液中金屬外殼前驅體的物質的量與步驟一中所述的氧化物納米顆粒的物質的量比為(0.5~50):1；步驟三中所述的還原劑的物質的量與步驟二中所述的金屬外殼前驅體水溶液中金屬外殼前驅體的物質的量比為(1~50):1；步驟四中所述的萃取劑與步驟一中所述的水相的體積比為(1~5):1；步驟五中所述的正己烷/乙醇溶液由正己烷和乙醇混合而成，且正己烷與乙醇的體積比為(1~3):1。

本發明的優點：一、本發明所制備的金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑具有獨特的氧化物內核，其氧化物內核能夠改變外層金屬的電子結構和幾何結構，進而有效提高貴金屬催化劑催化活性和穩定性，與商用的碳載鈀（Pd/C）催化劑相比，催化活性為商用的碳載鈀（Pd/C）催化劑的1.5~3倍；二、本發明所制備的金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑內核為氧化物納米顆粒，與內核為貴金屬的金屬包覆金屬的雙金屬核殼結構催化劑相比，大大降低了燃料電池催化劑貴金屬用量，有效降低了催化劑成本；三、本發明所制備的金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑具有分散性好、納米顆粒粒徑和外殼厚度均勻可控等特點；四、本發明的所制備的金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑可作為燃料電池催化劑使用；五、本發明金屬包覆氧化物納米核殼結構催化劑的制備方法操作簡單，易于控制，可以使用氯化鹽、硝酸鹽等普通的前驅體，從而避免傳統方法制備核殼催化劑時經常使用到的金屬有機化合物，進一步降低合成成本。

附圖說明