CN101618324A - 碳载金属催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳载型金属催化剂及其制备方法。该金属催化剂以过渡金属元素做活性金属，金属组分的含量在1－50wt％范围内精确可调。其制法主要包括：(1)制备盐前体溶液置于连续搅拌的反应器中；(2)将与上述盐前体中金属含量成一定比例的阴树脂或相同比例的阳树脂加入反应器进行离子交换反应，控制其温度不超过40℃；(3)将离子交换反应溶液常温过滤，收集滤物并于80℃干燥；(4)将干燥后的滤物置于管式炉中在氦、氮惰性气流保护下升温至500℃焙烧，保温一定时间后降至室温。本法通过催化剂的合成和自还原过程去除了杂质，实现了活性组分的金属化和高分散化。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳载金属催化剂及其制备方法。用于燃料电池的催化剂。
背景技术
理论与实验研究均表明，纳米尺寸的金属颗粒具有小尺寸效应，因此纳米级催化剂颗粒的电子特性以及金属-载体作用对其催化性能有很大影响。
在燃料电池技术中，使用质子交换膜的低温燃料电池，包括以氢气氧气为燃料的氢-氧燃料电池(PEMFC)和直接使用液体甲醇为燃料的甲醇燃料电池(DMFC)，因其具有环境友好、无污染、低温起动快的优势，近年来备受研究者的关注。碳载型Pt-Ru/C或Pt-Ru-M/C(M为Mo、W等元素)被认为是最高活性且长寿命的抗CO中毒的氢氧化或甲醇氧化的阳极催化剂；碳载型Pt/C则是被广泛使用的氧还原催化剂；元素周期表中第4周期过渡金属M(Fe、Co、Ni、Cr等)与Pt形成的合金既能提高氧还原活性又能降低成本。对于阳极和/或阴极催化剂，作为催化剂的主要部分的金属或其合金的分散度、均匀性都是决定其电催化活性的重要因素。因此，在纳米层次上控制贵金属合金的粒径与组成的均匀性至关重要，如若采用胶体法、微溶胶法、单分子源前躯体法等合成这类金属活性组分，可以有效地达到此目的。
但在目前的碳载催化剂中，金属活性组分的粒度控制多采用液相法，并借助于表面活性剂和分散剂等实现活性组分的高分散，有机试剂的使用不仅使过程复杂，而且条件控制要求严格，难于规模化，因而合成方法的进一步优化研究显得尤为重要。
发明内容
本发明的提出，旨在采用反应性离子交换自还原法直接合成碳载金属催化剂，在合成过程中同步完成杂质的去除，并通过自还原过程实现活性组分的金属化，通过树脂孔道控制焙烧过程中金属粒子的团聚。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种碳载型金属催化剂，其特征在于：其中的活性金属为包括铁、钴、钌、铑、钯、锇、铱、铂、铜、银、金中的一种或多种的过渡金属元素，所述的金属组分在碳载型金属催化剂中的含量在1-50wt％范围内精确可调。
一种碳载金属催化剂的制备方法，包括合成和自还原过程，其特征在于：其工艺过程中包括如下步骤：
(1)将所述金属盐配成一定浓度的溶液，作为盐前体，置于反应器中并连续搅拌，搅拌均匀后，再将与盐前体中金属含量成一定比例的阴树脂或相同比例的阳树脂加入反应器，控制反应器中温度不超过40℃，进行离子交换处理；
(2)离子交换反应一定时间后，常温过滤，去除滤液，收集滤物并干燥；
(3)将干燥后的滤物置于管式炉中，在一定流量惰性气体保护下升温至500℃焙烧，恒温一定时间后降至室温。
(4)所述碳载型金属催化剂的制备方法的最佳工艺参数为：阴树脂或阳树脂的加入量为工作交换容量与设计金属担载量的比为1.5∶(1×x)，其中的x为质量百分数，反应器中温度不超过40℃；干燥温度为80℃，干燥时间24h；管式炉中惰性气体的流量为20ml/min，升温速率以5°/min，500℃恒温2h。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：
(1)本方法通过离子交换表面反应在合成过程中同时去除了杂质，免去了水洗过程。
(2)合成过程中无需加入表面活性剂，通过金属离子与表面基团的化学键作用实现载体表面活性组分的高分散，通过树脂孔道控制焙烧过程中金属粒子的团聚。
(3)焙烧过程中通过自还原作用实现活性组分的金属化，免去了还原过程。
附图说明
图1是本发明方法制备的纳米Ir/C催化剂的扫描电镜照片。
图2为本发明方法制备的纳米Ag/C催化剂的X射线衍射谱图。
具体实施方式
一种碳载型金属催化剂，其特征在于：其中的活性金属为包括铁、钴、钌、铑、钯、锇、铱、铂、铜、银、金中的一种或多种的过渡金属元素，所述金属组分在碳载型金属催化剂中的含量在1-50wt％范围内精确可调。其制备方法包括催化剂的合成过程和自还原过程，其特征在于包括以下步骤：
(1)将所述金属盐配置成一定浓度的溶液作为盐前体置于连续搅拌的反应器中，搅拌均匀后，再将与该盐前体中的金属含量成一定比例的阴树脂或相同比例的阳树脂加入其中，控制反应器中温度不超过40℃，进行离子交换反应；
(2)离子交换反应后，常温过滤，去除滤液，收集滤物，并将其于80℃干燥；
(3)将干燥后的滤物置于管式炉中，在一定流量的氦、氮惰性气体保护下升温至500℃焙烧，恒温一定时间后降至室温。
下面结合实施例作进一步说明。
实施例1
制备Ag/C催化剂：将硝酸银(AgNO3)0.5g溶解于50ml 40℃的去离子水中，将20ml氢型阳离子交换树脂加入连续搅拌的硝酸银溶液中，于40℃连续搅拌2小时，过滤并于80℃干燥24小时。冷却后置于管式炉中，惰性气体的流量为20ml/min，升温速率以5°/min，500℃恒温2h后，降至室温。
实施例2
制备Pt/C催化剂：将氯铂酸(H2PtCl6.6H2O)0.5g，溶解于50ml 40℃的去离子水中，将20ml氢氧型阴离子交换树脂加入连续搅拌的氯铂酸溶液中，于40℃连续搅拌2小时，过滤并于80℃干燥24小时。冷却后置于管式炉中，惰性气体的流量为20ml/min，升温速率5°/min，500℃恒温2h后，降至室温。
实施例3
制备Ir/C催化剂：将氯铱酸(H2IrCl6.6H2O)0.5g，溶解于50ml 40℃的去离子水中，将20ml氢氧型阴离子交换树脂加入连续搅拌的氯铱酸溶液中，于40℃连续搅拌2小时，过滤并于80℃干燥24小时。冷却后置于管式炉中，惰性气体的流量为20ml/min，升温速率5°/min，500℃恒温2h后，降至室温。
实施例4
制备Au-Pt/C催化剂：将氯铱酸(HAuCl4.3H2O)0.5g，氯铂酸(H2PtCl6.6H2O)0.5g各溶解于50ml 40℃的去离子水中，混合均匀后，将40ml氢氧型阴离子交换树脂加入连续搅拌的混合溶液中，于40℃连续搅拌2小时，过滤并于80℃干燥24小时。冷却后置于管式炉中，惰性气体的流量为20ml/min，升温速率5°/min，500℃恒温2h后，降至室温。
Claims (3)
1、一种碳载型金属催化剂，其特征在于：其中的活性金属为包括铁、钴、钌、铑、钯、锇、铱、铂、铜、银、金中的一种或多种的过渡金属元素，所述金属组分在碳载型金属催化剂中的含量在1-50wt％范围内精确可调。
2、一种碳载型金属催化剂的制备方法，包括催化剂的合成和自还原过程，其特征在于包括如下步骤：
(1)将所述金属盐配成一定浓度的溶液作为盐前体，置于反应器中并连续搅拌，搅拌均匀后，再将与盐前体中金属含量成一定比例的阴树脂或相同比例的阳树脂加入反应器，控制反应器中温度不超过40℃，进行离子交换反应；
(2)离子交换反应后，常温过滤去除滤液，收集滤物并于80℃干燥；
(3)将干燥后的滤物置于管式炉中，在一定流量惰性气体保护下升温至500℃焙烧，恒温一定时间后降至室温。
3、根据权利要求2所述的碳载型金属催化剂的制备方法，其特征在于所述的最佳工艺参数为：阴树脂或阳树脂的加入量为工作交换容量与设计金属担载量的比为1.5∶(1×x)，其中的x为质量百分数；反应器中温度不超过40℃；干燥温度为80℃，干燥时间24h；管式炉中惰性气体的流量为20ml/min，升温速率以5°/min，500℃恒温2h。
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