CN101733134A - 燃料电池催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
燃料电池催化剂的制备方法属于催化剂领域。用CNT做载体,在硫酸镍和氯铂酸溶液中加入次亚磷酸钠,控制溶液的pH值和溶液温度,次亚磷酸钠水解释放出P,并且次亚磷酸钠自还原产生的P与还原出来的Pt,Ni三者形成合金固溶体,Ni的加入使催化剂的铂颗粒的迁移得到阻止,磷的加入使非贵金属的腐蚀得到抑制,同时合金的形成使Pt颗粒实现微细化、分散化,催化剂的粒径分布均一,测试结果表明,该催化剂性能优异,此方法方便,易于操作,在贵金属中掺入Ni,降低了成本,同时非贵金属的腐蚀得到了有效的抑制,满足了直接甲醇燃料电池等领域的开发和利用。
Description
技术领域
本发明是关于一种Pt-Ni-P/CNT的燃料电池催化剂的制备方法。
背景技术
自从上个世纪80年代起就有许多人致力于铂合金燃料电池催化剂的研制,由于铂价格昂贵,资源匮乏,所以必须采用适当的制备方法和工艺条件减少铂的用量,在催化剂中降低铂的含量,但同时能达到与铂相同或优于铂的催化效果。Pt合金催化剂的性能稳定有两方面:
●1、Pt颗粒的团聚引起的活性表面的减少;
●2、非贵金属的腐蚀是氧还原性能降低的另一个主要原因。
本发明中催化剂有效解决了这两个方面的内容,Ni的锚定作用阻止Pt的迁移和团聚,使催化剂的老化和衰减降低;Ni的标准电极电位是-0.25V,它在-0.25~0V之间是其发生腐蚀区域,P使其电极电位发生改变(提高),同时与Pt形成三者的固溶体后Ni在电解质中的耐蚀性能提高。
文献[ZL CN 1790785A]氯铂酸和三氯化钌中加入NaH2PO2.H2O还原出PtRuP,所添加的磷切断铂与钌的金属键(Metallic Bond)而实现微细化,分散化;同时使粒径分布范围减小的效果,但该方法制备催化剂所用的原料均为贵金属或稀有金属,不利于成本的降低;文献[HectorR.Colon-Mercado,Hansung Kim,Branko N.Popov,ElectrochemistryCommunications 6.795-799,2004]所属制备的Pt3Ni1/C催化剂中Ni的加入有效的阻止了铂颗粒的长大,但非贵金属的腐蚀使催化剂的性能降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种Pt-Ni-P/CNT的燃料电池催化剂的制备方法。
本发明是用CNT作催化剂的载体,碳纳米管是由单层或多层石墨平面卷曲而成的无缝管状结构,使得它具有很多优异的电学和电化学性能,是作为催化剂载体的一个优良选择。
催化剂制备前的CNT预处理:
碳纳米管的敏化与活化:
未处理的碳纳米管用1∶3(体积)的乙二醇+甲苯超声清洗30min,过滤充分干燥-→1∶3(体积)的浓HNO3+浓H2SO4混酸80~100℃处理30~60min,洗涤,过滤干燥,在10g/L SnCl2.2H2O+40g/L HCl溶液中进行敏化处理40min,用去离子水充分洗涤、干燥后,在0.5g/L PdCl2+0.25mL HCl溶液中活化处理40min,再用去离子水充分洗涤、干燥,即可达到对碳纳米管的敏化与活化处理。
本发明提供了一种燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)称取经过活化→敏化预处理过的碳纳米管加入到含铂和镍的溶液,含铂和镍的溶液中铂的含量是2.6~7.8g/L,镍的含量是0.8~1.6g/L,最终催化剂中铂的含量是20~40%,镍铂的摩尔比是1∶1~3,CNT的重量比为20%~40%,加入辅助剂为质量比为1∶1的无水乙酸钠和柠檬酸三钠,密闭条件下超声震荡均匀分散10min后进行机械搅拌30min,之后加入NaOH调节pH值至9~11,获得原料液。
(2)将作为还原剂的次亚磷酸钠用去离子水配成溶液,浓度为0.2~0.4g/ml,还原剂的用量为铂和镍摩尔数的6~8倍,获得还原液;
(3)原料液通N2气体条件下加入还原液,金属离子Pt2+、Ni2+被还原,同时共沉积出P,整个还原过程在机械搅拌条件下持续30~60min,操作在80~90℃水浴中进行。然后对还原后的溶液进行过滤,充分洗涤至PH值=7,在真空干燥箱中80~100℃充分干燥。
本发明采用CNT做燃料电池催化剂的载体,用次亚磷酸钠为还原剂,控制还原时的温度及pH值等条件,制备出PtNiP催化剂,在还原过程中次亚磷酸钠释放出的P与Pt、Ni共同沉积形成合金,使还原出的Pt晶粒细化、均匀,同时Ni对Pt的锚定作用有效阻止了Pt颗粒在使用时的团聚,延长了催化剂的使用寿命,并且P的加入对于Ni在电解质中的溶解进行有效的抑制,使Ni在酸性腐蚀介质条件下的腐蚀速率减缓。
本发明以含有氯铂酸、硫酸镍、乙酸钠、柠檬酸三钠及少量Pb2+稳定剂水溶液为原料,活化敏化后的碳纳米管加入到其中,超声均匀分散,用NaOH溶液调节Ph到合适值,获得原料液。将作为还原剂的次亚磷酸钠用去离子水配成溶液,获得还原液。在85~90℃水浴中,原料液通N2气体条件下逐滴缓慢加入还原液,将金属离子还原,过滤,洗涤,干燥。
本方法所制备的催化剂同当量的Pt/C相比,对氧还原的催化活性优异,用Model 273A恒电位仪(美国PAR公司)相同条件下进行测试,本催化剂对氧还原的得吸附、脱附峰位更明显,与Pt/C的氧还原循环伏安曲线如附图[1],并且该催化剂耐老化性能优良;与Pt3Ni1/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低,相应时间内由8~12%减低为6%左右。从TEM图[2]上可以看出,Pt-Ni合金中加入了磷后使催化剂的粒径更加细化,催化剂过去一般分布在2~10nm之间,范围较大,而P的加入,其Pt晶粒得到了细化,Pt颗粒的粒径大致在2~5nm之间,所制备的催化剂分散均匀。与Pt/C相比XRD电子衍射图表明,催化剂中Pt的结晶度更小,衍射峰更宽,表明催化剂中铂的结晶度较低,以非晶态存在,铂表面活性位更多,催化性能更好。
加速老化实验:
催化剂加速老化实验用原子发射光谱法进行分析,所用的测试系统是三电极系统Pt电极为对电极,氢电极做参比电极,电催化剂所制备的电极做工作电极,ADT试验所用的溶液是0.5mol/L的H2SO4溶液,模拟阴极电极膜界面的环境,阴极电极膜界面与膜相联的催化剂有活性,在实验过程中催化剂的全部活性表面处于对质子裸露的条件下(完全浸入电解质中),在这种条件下,催化剂的老化是加速的。电位取在0~1.2V之间,响应电流用Model 273A恒电位仪(美国PAR公司)记录,在加速老化实验分析时,溶液样品用原子发射光谱仪(ICP-AES)进行测试分析,用此可分析非贵金属在溶液中的溶解率(在指定电压和时间内)。
催化剂中Ni的腐蚀速率在初始老化阶段是较高的,随时间的延长Ni的腐蚀速率达到一个稳定值,与Pt-Ni催化剂相比,在测试时间24h和120h段和对应的电位下,催化剂的腐蚀速率有明显的降低,Ni的腐蚀速率用以下公式来计算:
NiLoss%=Nis/NiT*100
随加速老化Ni的量减少,催化剂的氧还原电流降低,Ni的量与氧还原电流有一个比较紧密的联系,氧还原电流有较大增加时(电位较高)由于Ni的存在对Pt颗粒的锚定作用,Pt颗粒的迁移被阻碍,同时,由于P的加入,阻止了Ni在溶液中的腐蚀,24h加速老化实验后的Ni的腐蚀平均速率是6.8%(要明显低于Pt3Ni1/C的腐蚀速率=8%),120h后的Ni的腐蚀速率是6%,Pt3Ni1/C的腐蚀速率=12%。
附图说明
图1.富氧条件下0.5mol/L的H2SO4溶液中,PtNiP/CNT催化剂与Pt/C催化剂的氧还原曲线图
图2.次亚磷酸钠还原制备的PtNiP/CNT催化剂TEM图
具体实施方式
实施例1:称取0.13g预处理(碳纳米管的活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.128g和镍含量为0.08g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为0.8mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的6倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂10ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在9,充分搅拌条件下1h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在80℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异,与Pt/C的氧还原循环伏安曲线如附图[1];与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低,相应时间内由8~12%减低为6%左右。从TEM图[2]上可以看出,Pt-Ni合金中加入了磷后使催化剂的粒径更加细化,催化剂过去一般分布在2~10nm之间,范围较大,而P的加入,其Pt晶粒得到了细化,Pt颗粒的粒径大致在2~5nm之间,所制备的催化剂分散均匀。
实施例2:称取0.13g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.128g和镍含量为0.039g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为0.8mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的8倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂10ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在80℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低,由8~12%减低为6%左右。
实施例3:称取0.21g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.279g和镍含量为0.04g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为1.05mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的8倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂10ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在100℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低,由8~12%减低为6%左右。
实施例4:称取0.30g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.41g和镍含量为0.042g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为1.05mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的8倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂10ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在1000℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低。
实施例5:称取0.043g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.128g和镍含量为0.042g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为1.05mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的7倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂15ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在1000℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低。
实施例6:称取0.08g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.279g和镍含量为0.042g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为1.05mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的8倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂20ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在1000℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低。
实施例7:称取0.115g已预处理(CNT活化→敏化)过的CNT加入到50ml的铂含量为0.417g和镍含量为0.042g的溶液中,辅助剂为0.32g的无水乙酸钠+0.32g柠檬酸三钠,密闭条件下进行超声震荡10min,后机械搅拌30min,制备成原料液,次亚磷酸钠做还原剂,整个还原条件下的次亚磷酸钠浓度为1.05mol/L,次亚磷酸钠的浓度是贵金属的8倍(摩尔比),原料液通N2气氛条件下于85~90℃水浴中,机械搅拌下逐滴加入还原剂10ml的溶液,还原过程中用NaOH浓溶液调节PH值,PH值控制在11,充分搅拌条件下0.5h后还原完毕,取还原后的原料液进行过滤,洗涤直至PH值=7,在1000℃真空干燥箱中充分干燥,得到Pt-Ni-P/CNT燃料电池催化剂,与Pt/C催化剂相比,该催化剂耐老化性能优良,并且氧还原性能优异;与Pt-Ni/C催化剂相比,非贵金属的腐蚀速率有较大降低。
Claims (1)
1.一种燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)称取经过活化→敏化预处理过的碳纳米管加入到含铂和镍的溶液,含铂和镍的溶液中铂的含量是2.6~7.8g/L,镍的含量是0.8~1.6g/L,最终催化剂中铂的含量是20~40%,镍铂的摩尔比是1∶1~3,CNT的重量比为20%~40%,加入辅助剂为质量比为1∶1的无水乙酸钠和柠檬酸三钠,密闭条件下超声震荡均匀分散10min后进行机械搅拌30min,之后加入NaOH调节pH值至9~11,获得原料液;
(2)将作为还原剂的次亚磷酸钠用去离子水配成溶液,浓度为0.2~0.4g/ml,还原剂的用量为铂和镍摩尔数的6~8倍,获得还原液;
(3)原料液通N2气体条件下加入还原液,金属离子Pt2+、Ni2+被还原,同时共沉积出P,整个还原过程在机械搅拌条件下持续30~60min,操作在80~90℃水浴中进行;然后对还原后的溶液进行过滤,充分洗涤,在真空干燥箱中80~100℃充分干燥。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100616 |