[發明專利]一種甲醇電氧化催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201711063850.6
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107858661B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 覃勇;楊慧敏;張佰艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C23C16/06
• 分類號: C23C16/06;C23C16/34;C23C16/455;C23C16/56;H01M4/92
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉奇

本發明提供了一種甲醇電氧化催化劑的制備方法，將碳納米材料的分散液涂覆在基底的表面，得到模板；利用原子層沉積法在所述模板的表面沉積含氮有機聚合物膜和Pt納米顆粒，得到催化劑前驅體；在保護氣氛下，將所述催化劑前驅體進行熱處理，得到甲醇電氧化催化劑。本發明利用原子層沉積法在碳載體上沉積含氮有機聚合物膜和Pt納米顆粒，經熱處理后，含氮有機聚合物膜碳化為導電的含氮碳膜，與單純的Pt催化劑相比，在甲醇電催化氧化過程中表現出更高的活性及穩定性。同時，本發明方法簡單可控，便于各組分含量、尺寸的精確調節，產品制備均勻性好，重復性高。

技術領域

本發明涉及催化材料技術領域，特別涉及一種甲醇電氧化催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著社會的快速發展，人類對能源的依賴和需求快速增長，傳統的礦物能源將在不久的將來被消耗殆盡。同時，化石燃料的使用過程中產生大量污染物，對環境造成巨大破壞。因此，在開發和利用新能源的過程中，綠色、環保是其應當滿足的基本條件。燃料電池是一種電化學裝置，它以燃料為反應物，經過一系列的化學反應，將化學能直接轉化為電能，中間無其它形式的能量轉化，能量轉換效率高。且燃料電池使用的燃料成本低廉、對環境無污染，產物僅為水和少量的二氧化碳，是一種環境友好型的清潔能源。

低溫燃料電池催化劑是低溫燃料電池的重要組成部分，分為陽極催化劑和陰極催化劑。陽極催化劑主要用于促進燃料電池陽極處有機小分子如甲醇、甲酸、乙醇等的燃燒，陰極催化劑主要用于促進陰極的氧氣還原反應。低溫燃料電池目前使用的催化劑多為Pt基催化劑。為了解決單Pt基催化劑易CO中毒的問題，并進一步提高催化劑活性，研究者們對Pt基催化劑做了大量的研究，如在Pt基催化劑中添加Fe、Co或Ni，或者在Pt基催化劑的載體中摻雜N或O。然而，目前尚且沒有關于納米級別可控含氮碳膜修飾Pt基催化劑的報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種甲醇電氧化催化劑及其制備方法和應用，本發明提供的制備方法簡單可控，便于各組分含量、尺寸的精確調節；制備得到的甲醇電氧化催化劑均勻性好，活性及穩定性高。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

一種甲醇電氧化催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳納米材料的分散液涂覆在基底的表面，得到模板；

(2)利用原子層沉積法在所述步驟(1)中模板的表面沉積含氮有機聚合物膜和Pt納米顆粒，得到催化劑前驅體；

(3)在保護氣氛下，將所述步驟(2)中催化劑前驅體進行熱處理，得到甲醇電氧化催化劑。

優選的，所述步驟(1)中碳納米材料包括碳納米管、碳纖維、碳球或石墨烯。

優選的，所述步驟(2)中原子層沉積法包括以下步驟：

(a)脈沖A元素前驅體，使A元素前驅體的蒸汽化學吸附在所述步驟(1)中模板的表面，憋氣反應，抽氣除去物理吸附在所述模板表面的A元素前驅體；

(b)脈沖B元素前驅體，使B元素前驅體與A元素前驅體憋氣反應，抽氣除去未反應的B元素前驅體。

優選的，當沉積所述含氮有機聚合物膜時，所述A元素前驅體和B元素前驅體獨立地為生成含氮有機聚合物的單體。

優選的，當沉積所述Pt納米顆粒時，所述A元素前驅體為Pt的有機配合物或烷基化合物，所述B元素前驅體為能夠還原或氧化所述A元素前驅體的物質。

優選的，所述沉積的溫度為50～400℃，壓力為10～200Pa，載氣流量為40～60mL/min。