[發明專利]一種石墨烯氣凝膠催化劑及其制備方法

無效

• 申請號: 201410095673.X
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103831103A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 張雪林;陳海龍;張宇峰;劉曉為
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B01J23/63
• 分類號: B01J23/63;H01M4/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種催化劑及其制備方法，尤其涉及一種Pt-CeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑及其制備方法。

背景技術

在直接甲醇燃料電池的實際使用中，通常使用的陽極催化劑為Pt基催化劑。但是，由于金屬鉑價格較高，氧化過程中的中間產物如CO等容易使得催化劑中毒，導致催化效率較低。為了降低成本，并提高催化效率，研究人員致力于引入其他金屬或者氧化物與鉑形成雙金屬催化劑，從而提高催化劑的利用率。其中，二氧化鈰(CeO₂)作為螢石型氧化物的代表，晶胞中金屬陽離子按面心立方點陣排列，陰離子O^2-占據所有的四面體位置，每個金屬陽離子被8個O^2-包圍，而每個O^2-則有4個金屬離子配位，這種結構通常稱為敞開式結構，是公認的快離子導體。它具有鈰離子的可變價態，儲存釋放并傳導氧等優點，多種價態共存還有助于電子自由遷移，因此常被用作催化劑的良好助劑，在醇類電氧化過程中可替代貴金屬作為甲醇或其他醇類氧化的催化劑。

另一方面，采用合適的催化劑載體也是提高鉑利用率的有效途徑。合適的催化劑載體具有良好的導電性、較大比表面積等特點，常用的載體為XC-72、碳納米管等。石墨烯是一種單個原子層厚度的二維薄片，可以看作sp2雜化碳原子組成的蜂窩狀結構。氣凝膠是采用特殊工藝把濕凝膠中的液體用氣體置換而不改變凝膠網絡的結構而得到的具有低密度和高比表面積的高度多孔性納米材料。實現以石墨烯為骨架單元的氣凝膠的合成，既提供了一種二維石墨烯的三維集成與組裝方法，又賦予了石墨烯以氣凝膠形式存在時所特有的性能，具有孔隙率高、機械強度好，比表面積大的優點，在催化、吸附和電化學儲能等方面顯示出了極大的應用潛力。

微波加熱具有快速、簡單、高效的優點，可以化學反應體系在較短的時間內被均勻加熱，促進催化劑組分晶核萌發，提高晶化速率，使得微波在快速合成納米粒子方面擁有很好的發展前景。但是到目前為止還沒有利用微波法一步合成Pt-CeO₂/石墨烯氣凝膠的公開報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種PtCeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑及其制備方法，以石墨烯氣凝膠作為載體，在鉑鹽和CeO₂共同存在的條件下，選擇微波加熱的方法，利用還原劑將其一步反應還原，最終得到Pt-CeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑。本方法一步合成，且節能、環保、快速和工藝簡單，所得到的Pt-CeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑具有碳離子分布均勻、顆粒小的特點，對甲醇具有良好的電催化活性和抗CO中毒的性能。

為實現上述發明目的，本發明采取了以下技術方案：

一種PtCeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑，以石墨烯氣凝膠(Graphene?aerogel?s，GA)為載體，二元的Pt-CeO₂為活性組分，鉑載量為10-30wt％，Pt與CeO₂的摩爾比為2∶1。

一種采用一步法微波合成上述PtCeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑的方法，其步驟如下：

將石墨烯氣凝膠和CeO₂均勻分散在乙二醇和異丙醇的混合溶液中；向混合溶液中加入氯鉑酸溶液，調節溶液pH值為10-12；然后微波加熱，過濾、洗滌至無氯離子、干燥4-10h，即得到Pt-CeO₂/石墨烯氣凝膠催化劑。

上述制備方法中，所述石墨烯氣凝膠可以按照以下方法進行制備：將氧化石墨與去離子水以5～10mg/mL的比例混合，超聲分散4h，然后將其密封于容器，轉移至恒溫箱內，85～100℃下保持48h，接著置于索氏提取器中用丙酮洗滌，再經二氧化碳超臨界干燥，得到氧化石墨烯氣凝膠(GOA)，將GOA在氫氣環境中800℃熱還原1h得到石墨烯氣凝膠(GA)。

上述方法中，所述的石墨烯氣凝膠和二氧化鈰均勻分散在乙二醇和異丙醇的混合溶液中，是指將含有石墨烯氣凝膠的乙二醇溶液分散于燒杯中，超聲振蕩30-60min，然后稱取氧化鈰加入到上述溶液中，再向上述溶液中同時加入乙二醇和異丙醇，攪拌超聲振蕩30-60min。其中，乙二醇和異丙醇的摩爾比為1-10∶1。

上述方法中，所述的微波加熱為將混合液放到微波爐中，微波加熱45-80s，加熱溫度為120-145℃。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：