[發(fā)明專利]石墨烯擔(dān)載的二維分枝狀鉑納米電催化劑及其制備和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310539248.0
• 申請(qǐng)日: 2013-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN104617313A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋玉江;李佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M4/92
• 分類號(hào): H01M4/92
• 代理公司: 沈陽(yáng)晨創(chuàng)科技專利代理有限責(zé)任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑領(lǐng)域，具體涉及石墨烯擔(dān)載的二維分枝狀鉑納米電催化劑及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能量密度高、污染小、燃料多樣化、可靠性高、噪音低及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已受到世界各國(guó)的高度重視。實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)商業(yè)化急需解決的問(wèn)題之一是鉑基電催化劑的活性和耐久性的提高。目前最常用的商業(yè)鉑碳電催化劑是碳黑擔(dān)載的納米鉑，鉑的形貌為2-5nm的近球形鉑顆粒。商業(yè)鉑碳電催化劑的鉑顆粒易于團(tuán)聚、燒結(jié)，尤其當(dāng)燃料電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，碳載體會(huì)受到腐蝕，鉑與碳載體的結(jié)合力減小從而造成鉑顆粒的脫落、遷移、團(tuán)聚，使得鉑碳電催化劑的活性和耐久性不能滿足燃料電池商業(yè)化的要求。

鉑碳電催化劑的活性和耐久性常受其形貌影響，通過(guò)控制鉑的形貌可以提高催化劑的活性和耐久性。目前，制備特殊形貌的擔(dān)載型鉑納米電催化劑的方法主要有分步法和原位生長(zhǎng)法。

Hong?Yang等制備了碳黑擔(dān)載的鉑二十面體納米電催化劑。首先將鉑鹽溶于非水溶劑中，在210℃下，氬氣氣氛中以一氧化碳?xì)怏w為還原劑制備了鉑二十面體，再通過(guò)物理吸附的方法將鉑二十面體擔(dān)載在商業(yè)碳黑上，最終得到碳黑擔(dān)載的鉑二十面體納米電催化劑。該電催化劑具有較高的活性，但耐久性未進(jìn)行考察，并且所采用的制備方法復(fù)雜，條件苛刻，溫度高，耗時(shí)長(zhǎng)，不適于放大合成。（Nano?Lett.2013,13,2870）

Chengming?Wang等報(bào)道了擔(dān)載于石墨烯上鉑納米凹面立方體電催化劑。在116℃下，利用乙二醇法合成了聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）修飾的鉑納米凹面立方體，同時(shí)利用水合肼還原氧化石墨烯得到PVP修飾的石墨烯，然后將兩種材料混合得到石墨烯擔(dān)載的鉑納米凹面立方體電催化劑。該電催化劑具有較好的電催化活性和耐久性，但其制備過(guò)程步驟多，溫度較高，耗能高，周期長(zhǎng)，PVP難以有效去除，不適于放大合成。（Sci.Rep.2013,3,2580）

Shushuang?Li等以碳黑為載體，將泡沫狀的鉑原位生長(zhǎng)于載體表面，得到擔(dān)載型的泡沫狀鉑納米電催化劑。該制備方法簡(jiǎn)單，易控制，合成條件溫和，耗能少，易于放大合成。泡沫狀鉑優(yōu)勢(shì)暴露高活性（1,1,0）晶面，該電催化劑顯示出了較高的電催化活性。同時(shí)，泡沫狀鉑的特殊結(jié)構(gòu)使得該電催化劑的耐久性也得到了提高。但泡沫狀鉑為三維結(jié)構(gòu)，使部分包裹于泡沫內(nèi)部的鉑晶面無(wú)法被有效利用。（J.Mater.Chem.A,2013,DOI:10.1039/c3ta10406k）

綜上所述，擔(dān)載型鉑納米電催化劑的制備還需要如下改進(jìn)：取代炭黑，提高載體的耐腐蝕性；優(yōu)化對(duì)鉑納米材料的形貌控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供石墨烯擔(dān)載的二維分枝狀鉑納米電催化劑及其制備和應(yīng)用，該方法簡(jiǎn)單，易于控制，制備周期短，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明提供了石墨烯擔(dān)載的二維分枝狀鉑納米電催化劑的制備方法，具體步驟如下：（1）將磷脂和膽固醇溶解于氯仿中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)此溶液制得多層脂質(zhì)體膜，加入還原劑水溶液，40℃-80℃下加熱至少10min，通過(guò)多孔濾膜擠壓得到分散在還原劑水溶液中的單層脂質(zhì)體；

所述磷脂與膽固醇的摩爾比為1/5-50/1；

（2）向上述步驟（1）所得的混合物中加入石墨烯，分散均勻后加入水溶性鉑鹽或其水溶液，0-100℃下攪拌反應(yīng)至少30min，獲得固體產(chǎn)物；

所述還原劑與水溶性鉑鹽的摩爾比為1/1-50/1；

（3）將上述步驟（2）中所得的固體產(chǎn)物，依次用水和有機(jī)溶劑洗滌，干燥后得到石墨烯擔(dān)載的分枝狀鉑納米電催化劑。

本發(fā)明提供的石墨烯擔(dān)載的二維分枝狀鉑納米電催化劑的制備方法，所述磷脂為天然磷脂衍生物、磷脂酸、磷脂酰膽胺、磷脂酰膽堿、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇和它們的衍生物中的一種或二種以上混合物；