[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于乙醇燃料電池的PdZn合金納米催化劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011031420.8
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112151815B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸雙龍;杜明亮;朱罕;段芳;黃紹達;胡洪寅
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M8/1011
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 林娟

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于乙醇燃料電池的PdZn合金納米催化劑，屬于電催化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用乙酰丙酮鈀和氯化鋅為前驅(qū)體，在氫氣和一氧化碳混合氣體氣氛下，通過簡單的一步水熱法合成具超枝狀結(jié)構(gòu)的PdZn合金納米材料。相比于質(zhì)量分數(shù)為20％的商業(yè)Pt/C，本發(fā)明所制備的PdZn合金納米材料具有遠大于商業(yè)Pt/C的氧還原性能和乙醇氧化性能，以及優(yōu)于商業(yè)Pt/C的穩(wěn)定性能。本發(fā)明方法操作簡單，可控性強，具有一定的普適性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于乙醇燃料電池的PdZn合金納米催化劑，屬于電催化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著大量非再生化石能源的消耗，環(huán)境和能源問題愈發(fā)受到世界各國的重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，傳統(tǒng)的化石能源最多能供應(yīng)人類的使用年限不超過一百年，同時化石能源的使用導(dǎo)致大氣中二氧化碳，硫化物，氮化物等有害氣體急劇上升所引發(fā)的氣候變暖，冰川融化，洪水肆虐等自然災(zāi)害預(yù)示了全球環(huán)境變化的不確定性和異常性。因此，設(shè)計開發(fā)新型、可持續(xù)性、清潔高效的能源形式，對減少化石能源的使用、降低有害氣體的排放以及應(yīng)對全球環(huán)境變化具有極為重要的意義。

燃料電池是一種直接將燃料小分子中所具備的化學(xué)能(如：乙醇，甲醇，氫氣，甲酸等)轉(zhuǎn)換成電能最有效的裝置之一。在各種燃料電池中，乙醇燃料電池由于乙醇的易儲存性，來源廣泛，耐中毒，清潔以及高能量密度等特點，受到了眾多科研工作者廣泛的關(guān)注和研究。同時，乙醇在燃料燃料電池中電催化氧化過程涉及多電子的反應(yīng)過程，因此，催化劑的選擇對于完全氧化乙醇分子具有重要意義。在眾多催化劑中，鉑基催化劑被認為是催化乙醇氧化和氧還原活性最好的催化劑，但是在因為的它稀缺性，陰極氧還原反應(yīng)緩慢的動力學(xué)，以及在乙醇氧化催化過程中易產(chǎn)生酸類和醛類等中間物質(zhì)，從而嚴重的阻礙了鉑基材料在乙醇燃料電池中大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。對于目前而言，發(fā)展高效的非鉑基材料對乙醇燃料電池的發(fā)展具有重要的推動作用。金屬鈀(Pd)與金屬鉑(Pt)具有類似的物化性質(zhì)，與鉑相比，儲存量更豐富且價格相對更加便宜，耐CO中毒能力強。如果將鈀基材料替代鉑基材料，不僅可以減少鉑的用量，而且在一定程度上可以推動乙醇燃料電池的發(fā)展。但是，對于單獨的金屬鈀納米催化劑，因為它的本身電子結(jié)構(gòu)的缺陷性，在燃料電池陰極和陽極部分表現(xiàn)出不盡人意催化性能。眾多研究表明，合金化是一種有效提高催化劑活性的措施。Wang等人利用檸檬酸鈉作為調(diào)控劑，低溶度的硼氫化鈉作為還原劑，制備了PdPb納米顆粒，表現(xiàn)出了優(yōu)異的乙醇氧化氧化性能，但是幾乎沒有表現(xiàn)出陰極的氧還原活性；Li等人通過將P元素修飾到PdNi納米顆粒表面，其乙醇的質(zhì)量活性得到顯著的提升，但是也沒有表現(xiàn)出氧還原活性。

發(fā)明內(nèi)容

【技術(shù)問題】

現(xiàn)有的貴金屬催化劑在燃料電池陰極和陽極難以同時表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。

【技術(shù)方案】

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種PdZn合金納米催化劑及其制備方法，本發(fā)明方法工藝簡單、成本較為低廉，制備的PdZn合金納米材料具有優(yōu)異的氧化原活性以及穩(wěn)定性和乙醇氧化活性。在堿性條件下表現(xiàn)出的半波電位為0.91V，遠高于商業(yè)Pt/C的半波電位(0.843V)，循環(huán)了15000次才出現(xiàn)衰減的跡象。此外，也表現(xiàn)出了優(yōu)異的乙醇氧化活性，其質(zhì)量活性為3.45A mg^-1，為商業(yè)鉑碳(1.12A mg^-1)的3.08倍，能夠應(yīng)用于乙醇燃料電池領(lǐng)域。

本發(fā)明提供了一種制備PdZn合金納米催化劑的方法，所述方法以乙酰丙酮鈀和氯化鋅為前驅(qū)體，以油氨作為溶劑，混合均勻后引入調(diào)控氣體并進行水熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后固液分離即得到PdZn合金納米催化劑。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述調(diào)控氣體為一氧化碳、氫氣、氮氣或一氧化碳和氫氣的混合氣體。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述調(diào)控氣體為一氧化碳和氫氣的混合氣體。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述乙酰丙酮鈀和氯化鋅的質(zhì)量比為1：(1.10～1.51)。