[發明專利]一種介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201710229425.3
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107069049B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 張程偉;張政;王道瑞;殷福星
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88;H01M8/1011
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑及其制備方法。該催化劑的組成包括聚吡咯材料和負載的Pt納米顆粒，Pt的負載質量百分比為20％?50％；其中，所述的載體聚吡咯材料具有多級孔結構，即含有內徑為200～500nm，壁厚為30?60nm的納米環狀結構和孔壁上孔徑為2?10nm的介孔結構。本發明工藝簡單，所制備聚吡咯材料相較與電聚合方法制備的聚吡咯具有較高的比表面積，可應用于如氣體傳感、催化、分離等領域。

技術領域

本發明涉及一種介孔聚吡咯納米環負載Pt納米顆粒催化劑的制備方法，屬于Pt催化劑技術領域。

背景技術

隨著人類對能源的需求日益增加，世界能源危機也日趨嚴重，如何充分開發和利用清潔新能源，減輕和防止環境污染及對生態的破壞，已成為人類重點關注的話題。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)，因其燃料易運輸與存儲、重量輕、體積小、能量密度大、轉化效率高以及無污染等優勢，近年來成為國際上新能源領域的研究熱點。雖然近幾十年DMFC的研究取得了顯著的進步，但真正的大規模商業應用還未實現。DMFC實現商業化的關鍵技術之一是開發高性能的，長壽命的催化劑。目前，鉑碳催化劑仍然是使用最廣泛的催化劑。然而，在燃料電池的長時間反應過程中，碳載體容易被腐蝕而造成結構坍塌，從而導致Pt納米粒子的遷移、團聚，甚至從催化劑體系中分離，影響催化劑的活性和壽命。為解決碳腐蝕問題，人們開始把目光轉向更耐電化學腐蝕的材料，以此作為催化劑載體，如導電金屬氧化物和導電聚合物。其中，聚吡咯具有高導電性、合成簡單等優點，被認為是最有希望的催化劑載體的替代品之一。

為提高Pt利用率，研究人員致力于開發新型的，納米結構的聚吡咯材料做為Pt催化劑的支撐材料。納米環狀聚吡咯材料因其具有高的表面積-體積系數，可以提供更好的傳質通道，從而提高負載其上的Pt催化劑的催化效率。然而，聚吡咯較低的比表面積影響了Pt納米顆粒的分散，降低了電催化效果。在聚吡咯納米環的孔壁上加入介孔結構形成多級結構聚吡咯材料，從某種程度上能更好地應用于甲醇燃料電池。這種聚吡咯材料的環狀結構可以有效地降低傳質阻力，有助于反應物和產物的擴散，可以使分子容易到達活性位，而介孔結構能提供較高的比表面積和較大的孔容，所以這種多級結構的聚吡咯材料作為載體可以使催化劑具有更高的催化效率。

鑒于介孔聚吡咯納米環在催化方面擁有巨大的前景，本發明提供一種新的合成方法，利用二氧化硅微球為硬模板，一步合成出具有高比表面積的介孔聚吡咯納米環材料，負載Pt納米顆粒后制備出了具有良好的穩定性、催化活性和抗毒性的介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑。

發明內容

本發明的目的在于針對商用甲醇燃料電池的鉑碳催化劑存在活性低、易中毒等缺點，提供一種活性高、抗毒性能好的介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑材料及其制備方法。該材料擁有環狀結構以及孔壁上的介孔結構。介孔結構可以提高比表面積，增強Pt納米顆粒的分散性，限制Pt納米顆粒的生長以及催化過程中的團聚，環狀結構可以增強傳質。二氧化硅微球既可作為環狀結構的引導劑，又可在吡咯的聚合反應過程中，與吡咯相互作用使聚吡咯在二氧化硅亞微米球表面形成介孔結構。制備方法上，采用化學法聚合法制備高比表面積(>100m²g^-1)的聚吡咯材料，利用二氧化硅微球(200-500nm)為模板形成介孔環狀形貌，通過控制二氧化硅量的使用，來得到納米環狀材料。

本發明采用的技術方案是：

一種介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑，其特征在于該催化劑的組成包括聚吡咯材料和負載的Pt納米顆粒，Pt的負載質量百分比為20％-50％；其中，所述的載體聚吡咯材料具有多級孔結構，即含有內徑為200～500nm，壁厚為30-60nm的納米環狀結構和孔壁上孔徑為2-10nm的介孔結構。

所述的Pt納米顆粒的粒徑為小于3.0nm；優選為1.5～2.5nm。

所述的介孔聚吡咯納米環負載Pt催化劑的制備方法，包括以下步驟：