[發(fā)明專利]一種柔性碳纖維負載金電催化劑的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110478401.8
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113289619B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設計）人: 吳天星;孟晗琪;雷睿超;安小龍
• 申請（專利權）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號: B01J23/52
• 分類號: B01J23/52;B01J35/00;B01J35/06;B01J37/02;B01J37/10;B01J37/16
• 代理公司: 西安創(chuàng)知專利事務所 61213
• 代理人: 馬小燕

本發(fā)明公開了一種柔性碳纖維負載金電催化劑的制備方法，該方法包括：一、將市售碳氈經雙氧水中浸泡后干燥得到碳氈載體；二、將四氯金酸水合物粉末溶解于去離子水中得到氯金酸溶液；三、將氯金酸溶液稀釋后加入碳氈載體浸泡，經干燥得到金離子負載碳氈；四、將金離子負載碳氈加入小分子醇進行水熱還原，得到柔性碳纖維負載金電催化劑。本發(fā)明將柔性的碳氈改性后浸泡吸附Au³⁺進行水熱還原，在碳氈上原位生長形成金單質，控制了金單質的形貌和尺寸，降低了電催化反應過程中的電荷傳遞電阻，提高了柔性碳纖維負載金電催化劑的電催化性能，且碳氈方便設計成多種尺寸形狀，降低其應用難度，解決了粉體或塊體催化劑在大規(guī)模應用方面的不足。

技術領域

本發(fā)明屬于電催化劑材料制備技術領域，具體涉及一種柔性碳纖維負載金電催化劑的制備方法。

背景技術

在貴金屬催化劑的制備過程中，為了盡可能降低貴金屬的使用量以及提高貴金屬的催化活性位點，常常需要將貴金屬負載到載體上。載體不僅能保持金屬顆粒的分散，而且對催化系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性也至關重要。金屬與載體的相互作用影響其催化性能的方式有：幾何效應(如調控金屬納米顆粒的尺寸、形貌以及應變)、電子效應(如金屬與載體之間的電荷轉移或由于載體與金屬之間的配位而產生的“配體”效應)、界面反應活性、載體直接參與催化反應。催化劑載體可以是石墨碳材料、金屬單質或氧化物等。

作為電催化劑，材料的導電性是被考慮的首要因素。碳材料因其優(yōu)異的導電性而成為電催化劑載體的首選，其作為催化劑載體的優(yōu)點主要有：(1)具有豐富的孔道結構；(2)表面化學性質易于調控；(3)有利于金屬相的還原；(4)具有優(yōu)異的抗酸堿性；(5)具有高溫穩(wěn)定性(惰性氣氛下在1023K時仍能保持穩(wěn)定的結構)；(6)多孔碳材料可以制備出不同的形狀，如纖維狀、顆粒狀和球形等；(7)活性組分易于回收；(8)成本低廉。因此，碳材料作為載體，成為負載型催化劑的首選。常用的碳載體材料有活性炭、石墨烯、碳納米管等。而這些碳載體多為粉體或塊狀結構，使用時需要通過高分子粘合劑(如Nafion、聚四氟乙烯等)將其涂敷在導電基底(碳布、碳紙、鎳網(wǎng)等)上，這樣不可避免地會導致實驗過程中催化劑從基底上脫落而造成電催化性能的降低，以及在電極制備過程中高分子粘合劑的使用所造成的電極整體導電性的降低。另外，這種粉體碳基催化劑難以制備大面積的電極，無法滿足后期實際生產應用。因此，直接在柔性導電碳基底上原位生長貴金屬催化劑并以此作為高效和獨立的電極使用，將是一種有效的方法以解決上述不足，并可以提高電催化性能。

碳基貴金屬催化劑的制備方法通常為液相還原法和高溫碳熱還原或氫氣還原法。液相還原法是合成貴金屬納米材料的常用方法，選擇一種或多種可溶性貴金屬鹽，按所制備的材料組成計量配成溶液，使各元素呈離子或分子狀態(tài)，再向體系中加入合適的還原劑(硼氫化鈉、水合肼、醇類小分子等)，使金屬陽離子還原成單質析出。但是，由于晶體在溶液體系中生長的各向異性，液相還原法難以控制貴金屬在碳基底上的原位還原生長。高溫碳熱還原或氫氣還原法，是利用碳基底或氫氣將貴金屬還原為零價，然而這種方法難以控制貴金屬晶體的形貌和尺寸等。

氣相水熱法是一種非常有效的原位可控合成方法。相比傳統(tǒng)的液相水熱法，氣相水熱法最大的區(qū)別在于所有的反應都是由揮發(fā)性反應物觸發(fā)的，并且發(fā)生在基底表面由揮發(fā)性反應物和水蒸氣所形成的薄層液相反應區(qū)域內。由于揮發(fā)性反應物在薄層液相反應區(qū)域內的快速傳質，納米結構生長單元迅速達到飽和狀態(tài)，從而實現(xiàn)納米結構在基底表面的快速原位生長。因此，氣相水熱法用于電催化劑制備有如下優(yōu)勢：①電催化活性組分可以在導電基底上直接生長，可作為獨立電極直接用于電催化反應，產生高的電流密度，同時可以避免使用粉體催化劑所帶來的復雜的電極制備過程；②氣相水熱反應過程中，在導電基底表面的薄層液相反應區(qū)域中所形成的有限厚度的活性組分更有利于催化活性位點的暴露和導電性的增強，從而提高電催化活性。

發(fā)明內容