CN101549304A - 导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池领域,旨在提供一种用于直接燃料电池正负极涂覆的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法。该方法包括取导电聚合物修饰的碳载体与去离子水配成悬浊液,再加入钴盐溶液搅拌回流加热;缓慢加入浓度为0.5M的碱性硼氢化钠溶液作为还原剂,剧烈搅拌后自然冷却;用去离子水洗涤过滤后,真空干燥后制得导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂。本发明采用湿化学法合成复合催化剂,合成工艺简便;合成的复合催化剂是非铂催化剂,成本低廉,有利于燃料电池技术的普及;通过导电聚合物可以提高电极电导率,降低电极阻抗,提高电极活性,提高电池的输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,具体地说,是一种用于直接燃料电池正负极涂覆的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法。
背景技术
采用质子交换膜为电解质的直接液体燃料电池(DLFC),无需经过卡诺循环,直接将储存在液体燃料中的化学能转变为电能,是一种新型的绿色能源技术。DLFC除了具有其他燃料电池所共有的能量转换效率高、低排放、无污染和无噪音等优点,另外还具有独到的优势:常温使用、结构简单、燃料携带补给方便、体积和重量比能量密度高和红外信号弱。尤其适合作小型可移动及便携式电源,在国防、通讯、电动车等方面有极佳的潜在应用前景。其中DLFC的液体燃料包括:碱性硼氢化钠溶液,肼溶液,甲醇溶液,乙醇溶液,甲酸溶液等,本发明涉及的液体燃料主要是碱性硼氢化钠溶液和碱性肼溶液。
通常低温燃料电池都需要以贵金属材料为催化剂。为降低催化剂的成本,主要从以下两个方面展开工作:a.提高铂的利用率,降低其担载量;b.寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。为了降低电极铂用量,通常电极采用高比表面炭为载体制备高分散的铂/炭催化剂,以增加铂的表面积,提高铂的利用率。对非贵金属催化剂的研究主要集中在含过渡金属氧化物、含过渡金属的大环化合物和过渡金属等,其中,MnO2和Ag虽然具有较好的催化活性,但是与铂相比还是具有一定的差距(Liu等,Journal of Power Sources,2007,164:100;Feng等,Electrochemistry Communication 2005,7:449);另外氮化物、硫化物、硼化物以及硅化物等用作低温燃料电池催化剂也有报道,但这些催化剂的性能比较差,研究也比较少。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中的不足,提供一种用于直接燃料电池正负极涂覆的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
提供一种导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电聚合物修饰的碳载体的制备
将碳材料分散到水、甲醇或者氯仿中配成悬浊液,其质量比为1∶10~30;加入冰乙酸或者盐酸调节pH值为1~4,室温搅拌10~30min;按与碳材料的质量比为1∶4~1∶5加入吡咯或噻吩搅拌5~10min,然后加入浓度为3~30wt.%的H2O2或者FeCl3水溶液20~50ml,作为聚合反应的引发剂,室温搅拌3~10h;产物用温去离子水洗涤,真空干燥后制得导电聚合物修饰的碳载体;
(2)导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备
取前述导电聚合物修饰的碳载体与去离子水配成悬浊液加入三颈烧瓶,其中碳载体与去离子水的质量比为1∶15~1∶25;再加入钴盐溶液,其中碳载体与钴盐的质量比为1∶0.2~1∶1,搅拌回流加热至70~90℃;缓慢加入浓度为0.5M的碱性硼氢化钠溶液20ml作为还原剂,剧烈搅拌30~60min后,自然冷却;用去离子水洗涤过滤后,真空70~90℃干燥6~12h后制得导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂。
作为一种改进,所述钴盐为下述中的任意一种:无机钴盐:硝酸钴、氯化钴、硫酸钴,或有机钴盐:草酸钴、醋酸钴。
作为一种改进,所述碳材料是导电乙炔黑、球形炭黑或纳米碳管中的任意一种。
本发明中的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂可用于直接燃料电池的负极涂覆:将导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂、水、浓度为5wt%的全氟磺酸基树脂溶液和无水乙醇按照1∶3∶7∶3~1∶6∶7∶6的质量比例混合调制成浆料,涂覆到泡沫镍上,自然晾干即可。
正极通过以下方式制得:将导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂、水、浓度为10wt%的聚四氟乙烯乳液和无水乙醇按照1∶3∶7∶3~1∶6∶7∶6的质量比例混合调制成浆料涂覆在经憎水处理后的碳布或碳纸上,350℃烘1~2h后,自然冷却至室温即可;所述的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的担载量为0.5~15mg cm-2。
经憎水处理的碳纸或碳布的制备过程如下:将碳纸或者碳布浸没在10wt.%聚四氟乙烯乳液中,浸渍2~4min后,用滤纸吸干残余的聚四氟乙烯乳液,将基体放入马弗炉中350℃煅烧1~2h,自然冷却至室温即可。
燃料电池可以碱性硼氢化钠水溶液为燃料,以空气或纯氧为氧化剂,以全氟磺酸基树脂为电解质,燃料电池的工作温度范围为室温至摄氏80℃;碱性硼氢化钠水溶液中含有2.5~20wt.%的NaBH4和5~20wt.%的NaOH,余量为水。
燃料电池也可以N2H4的NaOH溶液为燃料,以空气或纯氧为氧化剂,以全氟磺酸基树脂膜为电解质,燃料电池的工作温度范围为室温至摄氏80℃;N2H4的NaOH溶液中含有2.5~20wt.%的N2H4和5~20wt.%的NaOH,余量为水。
本发明具有的有益效果是:
(1)采用湿化学法合成复合催化剂,合成工艺简便。
(2)合成的导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂是非铂催化剂,其成本低廉,有利于燃料电池技术的普及。
(3)通过导电聚合物可以提高电极电导率,降低电极阻抗,提高电极活性,提高电池的输出性能。
附图说明
图1为本发明合成的聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的X射线衍射图;
图2为本发明合成的聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的X射线光电子图谱;
图3为本发明合成的聚吡咯修饰的球形石墨载氢氧化钴复合催化剂的X射线衍射图;
图4为本发明合成的聚吡咯修饰的球形石墨载氢氧化钴复合催化剂的X射线光电子图谱;
图5为本发明合成的聚噻吩修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的X射线光电子图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步详细描述:
实施例1:
将10克碳材料加入100ml甲醇配成悬浊液,加入2g冰乙酸室温搅拌20min,调整到pH值为1.0。再加入2.5g吡咯单体搅拌7min,之后加入30ml 3wt.%FeCl3水溶液作为聚合反应的引发剂,室温搅拌3h。产物用温去离子水洗涤,真空90℃干燥12h,得到聚吡咯含量为20wt.%的聚吡咯修饰的碳材料。
实施例2:
将10克碳材料加入300ml水配成悬浊液,加入5g冰乙酸室温搅拌20min,调整到pH值为3.0。再加入2g吡咯单体搅拌5min,之后加入10ml 30wt.%H2O2作为聚合反应的引发剂,室温搅拌3h。产物用温去离子水洗涤,真空90℃干燥12h,得到聚吡咯含量为15wt.%的聚吡咯修饰碳材料。
实施例3:
将10克碳材料加入150ml水配成悬浊液,加入2.5g冰乙酸室温搅拌20min,调整到pH值为3.0。再加入2g噻吩单体搅拌10min,之后加入10ml 10wt.%H2O2作为聚合反应的引发剂,室温搅拌3h。产物用温去离子水洗涤,真空90℃干燥12h,得到聚噻吩含量为15wt.%的聚吡咯修饰碳材料。
取2.7克聚吡咯修饰碳材料倒入三颈烧瓶,加入40.5ml水,迅速加入10克5.4wt.%氯化钴水溶液,回流加热到80℃,搅拌30min。缓慢加入300ml还原剂(碱性硼氢化钠溶液,含有2.5~20wt.%的NaBH4和5~20wt.%的NaOH,余量为水)后,剧烈搅拌30min,自然冷却,过滤洗涤后,真空90℃干燥12h。干燥后得到含氢氧化钴12wt.%的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂。
实施例4:
取2.7克聚吡咯修饰碳材料倒入三颈烧瓶,加入67.5ml水,迅速加入30克9wt.%醋酸钴溶液,回流加热到80℃,搅拌30min。缓慢加入300ml还原剂(碱性硼氢化钠溶液,含有2.5~20wt.%的NaBH4和5~20wt.%的NaOH,余量为水)后,剧烈搅拌30min,自然冷却,过滤洗涤后,真空90℃干燥12h。干燥后得到含氢氧化钴30wt.%的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂。
实施例5:
取2.7克聚吡咯修饰碳材料倒入三颈烧瓶,加入67.5ml氯仿,迅速加入30克9wt.%草酸钴溶液,回流加热到80℃,搅拌30min。缓慢加入300ml还原剂(碱性硼氢化钠溶液,含有2.5~20wt.%的NaBH4和5~20wt.%的NaOH,余量为水)后,剧烈搅拌30min,自然冷却,过滤洗涤后,真空90℃干燥12h。干燥后得到含氢氧化钴30wt.%的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂。
实施例6:
取2.7克聚吡咯修饰碳材料倒入三颈烧瓶,加入60ml水,迅速加入15克5wt.%硝酸钴溶液,回流加热到80℃,搅拌30min。缓慢加入300ml还原剂(碱性硼氢化钠溶液,含有2.5~20wt.%的NaBH4和5~20wt.%的NaOH,余量为水)后,剧烈搅拌30min,自然冷却,过滤洗涤后,真空90℃干燥12h。干燥后得到含氢氧化钴10wt.%的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂。
将含氢氧化钴10wt.%的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂,水,Nafion溶液(美国Dupont公司生产,浓度为5wt%的全氟磺酸基树脂溶液)和无水乙醇按质量比为催化剂∶水∶Nafion溶液∶无水乙醇为1∶6∶7∶6混合调制成浆料,然后均匀地涂覆到泡沫镍上,自然晾干后制备成负极,催化剂担载量为0.5mg cm-2;将催化剂,水,10wt.%的聚四氟乙烯乳液和无水乙醇按照1∶6∶7∶6的质量比例混合调制成浆料,然后均匀地涂覆在憎水处理后的碳布或碳纸上,350℃烘1h后,自然冷却至室温制备成正极,催化剂担载量为0.5mg cm-2。
实施例7:
将含12wt.%氢氧化钴的聚吡咯修饰碳载氢氧化钴催化剂,水,Nafion溶液(美国Dupont公司生产,浓度为5wt%的全氟磺酸基树脂溶液)和无水乙醇按质量比为催化剂∶水∶Nafion溶液∶无水乙醇为1∶3∶7∶3混合调制成浆料,然后均匀地涂覆到泡沫镍上,自然晾干后制备成负极,催化剂担载量为15mg cm-2;将催化剂,水,10wt.%的聚四氟乙烯乳液和无水乙醇按照1∶3∶7∶3的质量比例混合调制成浆料,然后均匀地涂覆在憎水处理后的碳布或碳纸上,350℃烘1h后,自然冷却至室温制备成正极,催化剂担载量为15mg cm-2。
以含5wt.%NaBH4,10wt.%NaOH的碱性硼氢化钠水溶液为燃料,氧气为氧化剂。以Nafion 117、112和211膜(美国Dupont公司生产,全氟磺酸基树脂)为电解质,使用上述正极和负极装配成直接硼氢化钠燃料电池,其在室温和60℃下的性能如图1和2所示。
实施例8:
以含15wt.%N2H4,10wt.%NaOH的碱性水合肼溶液为燃料,氧气为氧化剂。以Nafion117和112膜为电解质,使用实施例6中所制备的正极和负极装配成直接肼燃料电池,其在室温和60℃下的性能如图3和4所示。
实施例9:
将10克碳材料加入100ml氯仿配成悬浊液,加入10g噻吩单体搅拌30min,加入浓度为0.1M盐酸溶液50ml,调整到pH值为4.0。之后缓慢加入50ml 0.5mol无水FeCl3的氯仿溶液作为聚合反应的引发剂,室温搅拌10h。产物用温去离子水洗涤抽滤,真空90℃干燥12h。干燥后得到含40wt.%聚噻吩的聚噻吩修饰碳材料
取2.7克聚噻吩修饰碳材料倒入三颈烧瓶,加入60ml水,迅速加入15克5wt.%硝酸钴溶液,回流加热到80℃,搅拌30min。缓慢加入300ml还原剂(碱性硼氢化钠溶液)后,剧烈搅拌30min,自然冷却,过滤洗涤后,真空90℃干燥12h。干燥后得到含12.5wt.%氢氧化钴的聚噻吩修饰碳载氢氧化钴催化剂。
将上述聚噻吩修饰的碳载氢氧化钴催化剂,水,Nafion溶液和无水乙醇按质量比为催化剂∶水∶Nafion溶液∶无水乙醇为1∶4.5∶7∶4.5的比例混合调制成浆料,然后均匀地涂覆到泡沫镍上,自然晾干后制备成负极,催化剂担载量为10mg cm-2;将催化剂,水,10wt.%的聚四氟乙烯乳液和无水乙醇按照1∶4.5∶7∶4.5的质量比例混合调制成浆料,然后均匀地涂覆在憎水处理后的碳布或碳纸上,350℃烘1h后,自然冷却至室温制备成正极,催化剂担载量为10mg cm-2。
以含15wt.%N2H4,10wt.%NaOH的碱性水合肼溶液为燃料,氧气为氧化剂。以Nafion117膜为电解质,使用实施例3中所制备的正极和负极装配成直接肼燃料电池,其在室温和60℃下的性能如图5所示。
本发明中,使用聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴为催化剂,Nafion211膜为电解质的直接硼氢化钠燃料电池在60℃取得的最大功率为320mW cm-2。使用聚吡咯修饰的碳载氢氧化钴催化剂,Nafion112膜为电解质的直接肼燃料电池在60℃取得的最大功率为200mW cm-2。使用聚噻吩修饰的碳载氢氧化钴催化剂,Nafion117膜为电解质的直接肼燃料电池在60℃取得的最大功率为120mW cm-2。
最后,还需要注意的是,以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1、一种导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)导电聚合物修饰的碳载体的制备
将碳材料分散到水、甲醇或者氯仿中配成悬浊液,其质量比为1∶10~30;加入冰乙酸或者盐酸调节pH值为1~4,室温搅拌10~30min;按与碳材料的质量比为1∶4~1∶5加入吡咯或噻吩搅拌5~10min,然后加入浓度为3~30wt.%的H2O2或者FeCl3水溶液20~50ml,作为聚合反应的引发剂,室温搅拌3~10h;产物用温去离子水洗涤,真空干燥后制得导电聚合物修饰的碳载体;
(2)导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备
取前述导电聚合物修饰的碳载体与去离子水配成悬浊液加入三颈烧瓶,其中碳载体与去离子水的质量比为1∶15~1∶25;再加入钴盐溶液,其中碳载体与钴盐的质量比为1∶0.2~1∶1,搅拌回流加热至70~90℃;缓慢加入浓度为0.5M的碱性硼氢化钠溶液20ml作为还原剂,剧烈搅拌30~60min后,自然冷却;用去离子水洗涤过滤后,真空70~90℃干燥6~12h后制得导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂。
2、根据权利要求1所述导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法,其特征在于,所述钴盐为下述中的任意一种:无机钴盐:硝酸钴、氯化钴、硫酸钴,或有机钴盐:草酸钴、醋酸钴。
3、根据权利要求1所述导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法,其特征在于,所述碳材料是导电乙炔黑、球形炭黑或纳米碳管中的任意一种。
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