[發明專利]用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202010440648.6
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111628178B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 姜召;野娜;方濤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/92;H01M8/1009;H01M8/1011;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑及其制備方法，該催化劑的鈀、銅、氮化鉭、導電炭黑組分在催化劑中所占的質量百分比為3?10％、0?10％、15?70％和15?70％，其制備方法為在乙二醇溶液中，以檸檬酸鈉為還原劑制備分散的碳載PdCu@TaN/C納米電催化劑。本發明為首次制備合成導電炭黑負載氮化鉭鈀基電催化劑，制備方法條件溫和，操作簡單可控，節能環保。本發明的電催化劑是第一次作為直接甲醇和甲酸燃料電池陽極材料，與商業催化劑相比，貴金屬用量顯著降低，對堿性條件下甲醇和酸性條件下甲酸的氧化反應具有高電催化活性(分別是商業鈀碳催化活性的6.3和4.9倍)、強抗CO中毒能力等優點。

技術領域

本發明屬于燃料電池電催化劑技術領域，具體涉及一種用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著能源危機和環境污染，燃料電池已被廣泛認為是最有前途和最環保的綠色能源。諸如甲醇和甲酸之類的有機小分子燃料電池由于較高的比能和較低的工作溫度引起了廣泛的關注。在燃料電池中，其關鍵材料之一是電極催化劑。許多報道表明，鈀是堿性介質中甲醇氧化反應(MOR)和酸性介質中甲酸氧化反應(FAOR)的有效催化劑。然而，考慮到它是一種貴金屬且容易被一氧化碳中毒，有必要進一步提高鈀(Pd)催化劑的催化活性和穩定性，以達到高效和低成本的目的，來滿足未來商業化的要求。因此，開發高催化活性、穩定和低成本的催化劑是十分有必要的，但是目前鈀基與氮化鉭復合催化劑用于甲醇和甲酸的氧化反應還未見報道。

當前制約直接甲醇和甲酸燃料電池的關鍵因素在于如何設計開發同時具有高電催化活性、強抗CO中毒能力和較低貴金屬用量的催化劑，從而推進直接甲醇和甲酸燃料電池的規模化應用。

發明內容

為了解決上述現有技術瓶頸，本發明的目的在于提供一種直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑及其制備方法，本發明首次通過氮化鉭修飾鈀基催化劑，制備合成導電炭黑負載氮化鉭鈀基電催化劑，材料粒徑小，制備方法條件溫和，操作簡單可控，節能環保。本發明電催化劑也是第一次作為直接甲醇和甲酸燃料電池陽極材料，對堿性條件下甲醇和酸性條件下甲酸的電氧化在降低貴金屬用量的同時，通過銅和氮化鉭的協同作用，依然具有高電催化活性、強抗CO中毒能力等優點，從而降低催化劑成本，提高燃料電池效率和貴金屬利用率，加快其商業化應用的進程。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑，該催化劑為鈀銅氮化鉭為殼、碳為核的核殼型催化劑，分子式為PdCu@TaN/C；該催化劑的鈀、銅、氮化鉭和導電炭黑組分在催化劑中所占的質量百分比分別為3-10％、0-10％、15-70％和15-70％。

所述用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑的制備方法，包括如下步驟：

1)在容器中加入氮化鉭、導電炭黑和乙二醇，放置于磁力攪拌器上攪拌，然后進行超聲處理使氮化鉭和導電炭黑在乙二醇中分散均勻，得到混合物A；

2)將氯鈀酸鈉、氯化銅和檸檬酸鈉加入到步驟1)得到的混合物A中，置于磁力攪拌器上攪拌均勻，得到混合物B，其中按照鈀負載量為3-10％質量分數加入對應質量的氯鈀酸鈉，按照銅負載量為0-10％質量分數加入對應質量的氯化銅，按照氯鈀酸鈉質量的8～10倍加入還原劑檸檬酸鈉；

3)將步驟2)得到的混合物B升溫至100-130℃攪拌2-6h，其中氯鈀酸鈉和氯化銅被還原為金屬鈀和銅，得到固液混合物，然后冷卻至室溫；

4)將冷卻至室溫后的固液混合物用去離子水和無水乙醇洗滌至無乙二醇、鈉離子以及氯離子殘留，放入60～80℃的烘箱中干燥6～12h，經研磨得到用于直接甲醇和甲酸燃料電池的碳載鈀銅氮化鉭納米電催化劑。

優選地，步驟(1)所述的磁力攪拌器上攪拌時間為15～30min；