CN100553761C - 一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法。采用多孔阳极氧化铝为模板，含碳有机物作为碳源，浸渍法使碳源填充到模板的孔道中，在惰性气体保护下高温石墨化，在孔道内生成有序碳纳米管。去除模板，在有序的碳纳米管上担载金属Pt，制得有序碳纳米管为担体的燃料电池催化剂。由于采用有序碳纳米管为载体，金属Pt得以均匀分散在比表面积很大的纳米管上，增加了催化剂的表面积和反应活性点，提高了Pt的利用率，从而减少了贵金属的用量，降低了催化剂成本，而且有序的碳纳米管孔道可以作为燃料电池系统中水的排除通道，解决了燃料电池排水的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂及制备方法，属于催化剂技术领域。
背景技术
金属Pt具有很高的催化活性，是质子交换膜燃料电池的主要催化剂。但由于其价格昂贵以及利用率低下，又是阻碍燃料电池商业化的因素之一。多年来人们一直在寻找各种技术来制备新的催化剂以及怎样提高催化剂的利用率从而降低成本。用作PEMFC催化剂载体的碳材料必须具有比表面积大，中孔多且孔径分布较窄等特点，且需要有良好的导电能力和抗烧结能力。人们曾经以炭黑、炭微球、单壁或多壁碳纳米管、碳纳米纤维(片状、鱼骨状、管状)等作为催化剂载体。一定程度增加了Pt的利用率，但载体孔径分布可控问题，活性组分的可控有序分布等问题还不能得到彻底解决。
发明内容
为了克服上述现有技术结构的不足，本发明要解决的问题是用有序的碳载体担载Pt，来解决Pt利用率低下的问题，并提供了一种工艺简单、无需复杂设备的一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂及制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法，采用多孔阳极氧化铝为模板，含碳有机物作为碳源，浸渍法使碳源填充到模板的孔道中，在惰性气体保护下高温石墨化，在孔道内生成有序碳纳米管，去除模板，在有序的碳纳米管上担载金属Pt，制得有序碳纳米管为担体的燃料电池催化剂。
一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂制备方法，先用模板法制备有序碳纳米管，再将Pt担载于碳纳米管上制备成有序碳载催化剂，有步骤如下：
步骤1；将所选择的含碳有机物，如蔗糖，甘露醇或酚醛树脂，溶解于水或乙醇溶液中，将多孔氧化铝模板浸渍于该溶液中，直到模板被溶液充分浸润；
步骤2；用乙醇溶液或蒸馏水充分洗涤由步骤1浸渍过的阳极氧化铝模板表面，于真空烘箱中80-100℃烘3-5小时；
步骤3；将步骤2得到的氧化铝模板置于管式炉中，在N2气氛下进行煅烧，800℃煅烧2-3小时，1150℃煅烧4-5小时，然后自然降温后取出含碳的氧化铝模板；
步骤4；用1mol/L NaOH溶液或5-10％的磷酸水溶液浸渍去除步骤3得到的氧化铝模板，得到有序碳纳米管载体，用蒸馏水洗涤至中性，80-100℃真空烘干；
步骤5；将1mmol/L H2PtCl6溶液加入无水乙醇、水和异丙醇的混合溶液中，用超声波混合均匀，用1mol/L Na2CO3溶液调pH＝8-9；获得混合物；
步骤6；将有序碳纳米管载体放入由步骤5获得的混合物中，超声波搅拌30min，静置10-14h，缓慢滴加5％甲醛溶液，温度控制在60-70℃，反应中通氮气作为保护气，超声波搅拌；
步骤7；在步骤6反应完成之后停止通气，取出有序碳纳米管载体材料，用去离子水充分洗涤，在80-100℃真空干燥，得到有序碳纳米管为载体的催化剂。
本发明的有益效果具体如下：
按照上述步骤制备碳载催化剂的方法，其创新之处在于制备了有序碳纳米管，实现了载体材料孔径分布可控目标，并以其为载体担载铂，使得铂在载体上的分布达到有序化。此方法的有益效果在于：改变了现有燃料电池催化剂的无序化状态。同时以这种有序碳纳米管来担载Pt作为质子交换膜燃料电池催化剂，大大提高了Pt的利用率，降低了成本；而且有序排列的碳纳米管孔道，可以作为电池中水的通道，一定程度解决了电池排水问题；碳纳米管的良好导电性，提高了电池性能。
由于采用有序碳纳米管为载体，金属Pt得以均匀分散在比表面积很大的纳米管上，增加了催化剂的表面积和反应活性点，提高了Pt的利用率，从而减少了贵金属的用量，降低了催化剂成本，而且有序的碳纳米管孔道可以作为燃料电池系统中水的排除通道，解决了燃料电池排水的问题。
附图说明
图1采用阳极氧化铝模板制备的有序碳纳米管；
图2有序碳纳米管为载体制得的催化剂。
具体实施方式
实施例1：
将3g蔗糖溶解于10ml蒸馏水中，把阳极氧化铝模板浸渍到其中6h，充分浸渍后取出，蒸馏水洗涤模板表面，于真空烘箱中80℃烘5小时。将得到的氧化铝模板置于管式炉中，在N2气氛下进行煅烧，800℃煅烧2小时，1150℃煅烧4小时，然后自然降温后取出含碳的氧化铝模板；
用1mol/L NaOH溶液或5％的磷酸水溶液浸渍去除得到的氧化铝模板，得到图1所示的有序碳纳米管载体，用蒸馏水洗涤至中性，80℃真空烘干；
将1mmol/L H2PtCl6溶液加入无水乙醇、水和异丙醇的混合溶液中，用超声波混合均匀，用1mol/L Na2CO3溶液调pH＝8，放入有序碳纳米管载体，超声波搅拌30min，静置10h，
缓慢滴加5％甲醛溶液，温度控制在60℃，反应中通氮气作为保护气，超声波搅拌，反应完成之后停止通气，取出有序碳纳米载体材料，用去离子水充分洗涤，在80℃真空干燥，得到图2所示有序碳纳米管为载体的催化剂。
实施例2：
将2g甘露醇溶解于10ml蒸馏水，把阳极氧化铝模板浸渍到其中6h，充分浸渍后取出，蒸馏水洗涤模板表面，于真空烘箱中90℃烘4小时。将氧化铝模板置于管式炉中，在N2气氛下进行煅烧，800℃煅烧2.5小时，1150℃煅烧4.5小时，然后自然降温后取出含碳的氧化铝模板；
用1mol/L NaOH溶液或8％的磷酸水溶液浸渍去除得到的氧化铝模板，得到有序碳纳米管载体，用蒸馏水洗涤至中性，90℃真空烘干；
将1mmol/L H2PtCl6溶液加入无水乙醇、水和异丙醇的混合溶液中，用超声波混合均匀，用1mol/L Na2CO3溶液调pH＝8，放入有序碳纳米管载体，超声波搅拌30min，静置13h，
缓慢滴加5％甲醛溶液，温度控制在66℃，反应中通氮气作为保护气，超声波搅拌，反应完成之后停止通气，取出有序碳纳米载体材料，用去离子水充分洗涤，在90℃真空干燥，得到有序碳纳米管为载体的催化剂。
实施例3：
将1g酚醛树脂溶解于10ml乙醇中，把阳极氧化铝模板浸渍到其中6h，充分浸渍后取出，依次用乙醇和蒸馏水洗涤模板表面，于真空烘箱中100℃烘3小时。将得到的氧化铝模板置于管式炉中，在N2气氛下进行煅烧，800℃煅烧3小时，1150℃煅烧4小时，然后自然降温后取出含碳的氧化铝模板；
用1mol/L NaOH溶液或10％的磷酸水溶液浸渍去除得到的氧化铝模板，得到有序碳纳米管载体，用蒸馏水洗涤至中性，100℃真空烘干；
将1mmol/L H2PtCl6溶液加入无水乙醇、水和异丙醇的混合溶液中，用超声波混合均匀，用1mol/L Na2CO3溶液调pH＝9，放入有序碳纳米管载体，超声波搅拌30min，静置14h，
滴加5％甲醛溶液，温度控制在70℃，反应中通氮气作为保护气，超声波搅拌，反应完成之后停止通气，取出有序碳纳米载体材料，用去离子水充分洗涤，在100℃真空干燥，得到有序碳纳米管为载体的催化剂。
Claims (3)
1、一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂制备方法，其特征在于有如下步骤：
步骤1；将所选择的含碳有机物，溶解在水或乙醇中，形成溶液，将多孔氧化铝模板浸渍于该溶液中，直到模板被溶液充分浸润；
步骤2；用乙醇溶液或蒸馏水充分洗涤由步骤1浸渍过的阳极氧化铝模板表面，于真空烘箱中80-100℃下烘3-5小时；
步骤3；将步骤2得到的氧化铝模板置于管式炉中，在N2气氛下进行煅烧，800℃下煅烧2-3小时，1150℃下煅烧4-5小时，然后自然降温后取出含碳的氧化铝模板；
步骤4；用1mol/L NaOH溶液或5-10％的磷酸水溶液浸渍去除步骤3得到的氧化铝模板，得到有序碳纳米管载体，用蒸馏水洗涤至中性，80-100℃下真空烘干；
步骤5；将1mmol/L H2PtCl6溶液加入无水乙醇、水和异丙醇的混合溶液中，用超声波混合均匀，用1mol/L Na2CO3溶液调pH＝8-9；获得混合物；
步骤6；将有序碳纳米管载体放入由步骤5获得的混合物中，超声波搅拌30min，之后静置10-14h，再缓慢滴加5％甲醛溶液，温度控制在60-70℃，反应中通氮气作为保护气，超声波搅拌；
步骤7；在步骤6反应完成之后停止通气，取出有序碳纳米管载体材料，用去离子水充分洗涤，在80-100℃下真空干燥，得到有序碳纳米管为载体的催化剂。
2、根据权利要求1所述的一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂制备方法，其特征在于含碳有机物为蔗糖，甘露醇或酚醛树脂。
3、一种有序碳载质子交换膜燃料电池催化剂，其特征在于是由权利要求1或2所述的方法制备而成。
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