CN102179244B - 一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,将Pt的前躯体均匀附着到碳载体上(石墨烯修饰的碳纳米纤维膜(GCFMs)或碳纳米管(CNTs)),干燥后,在100℃~160℃温度下通入相同温度的还原剂的蒸气与催化剂前躯体发生反应,制备出金属粒子高度分散、粒径均匀的纳米催化剂。该催化剂对甲醇电催化氧化不仅活性高、抗中毒能力强,而且表现出很强的稳定性。本发明制备过程操作简便,节能,环保。所制备的产品可用于直接甲醇燃料电池阳极和阴极催化剂,还可以用作其它质子交换膜燃料电池的催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池,特别涉及一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池属于低温燃料电池领域,作为动力电源,在电动汽车、便携式电源等领域有广泛的应用前景。其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)将液态或者气态的甲醇燃料的化学能直接转变为电能的电化学装置,具有洁净、安全、高效等特点。尽管质子交换膜低温燃料在理论上具有很好的应用前景,但由于催化剂Pt的成本高、活性和稳定性差,抗中毒能力弱。在直接甲醇燃料电池中,还存在着甲醇容易透过质子交换膜的缺点,导致直接甲醇燃料电池难以实现大规模的商业应用。因此,国内外主要围绕提高催化剂性能和提高质子交换膜性能展开研究。在催化剂制备方面,研究人员通过改进传统制备催化剂的方法提高催化剂的活性,催化剂的催化活性受贵金属还原方法、金属催化剂组成、催化剂载体等很多因素影响。浸渍法是一种非常传统的制备贵金属催化剂的常用方法,如文献S.D.Lin,T.C.Hsiao,J.R.Chang,and A.S.Lin,Morphology of carbon supported Pt-Ru electeocatalyst and the COtolerance ofanodes for PEM fuel cells[J].Journal ofPhysical Chemistry B,1999.103(1):97-103.)报道在250℃左右用氢气还原,操作比较繁琐,金属粒径范围较宽,而且存在安全隐患。化学还原法是另一种使用较多的负载型Pt和Pt多组元催化剂的制备方法。在混合溶液体系,用硼化物、多醇、甲醛和甲酸作为还原剂,在一定温度下还原,该方法的缺点是需要大量的溶剂和过量的还原剂,不仅增加后处理的成本,而且还造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备过程简单、环境污染小的质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,该方法制备得到的催化剂活性高、贵金属利用率高、抗中毒能力强、稳定性好。
本发明提供的一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,将Pt的前躯体均匀附着到碳载体上,干燥,在100℃~160℃温度下,通入相同温度的还原剂的蒸气与催化剂前躯体发生反应,制备出金属粒子高度分散、粒径均匀的纳米催化剂。本发明不仅可以大幅度提高催化剂催化氧化甲醇的活性、稳定性和抗中毒能力。而且制备过程反应温度较低,操作简便,还原剂能重复利用,节能又环保。具体制备方法,包括如下步骤:
1)将Pt的前躯体吸附在碳载体上,干燥,除去体系中的溶剂;
所述的碳载体是石墨烯修饰的碳纳米纤维膜或功能化处理的碳纳米管;
所述的石墨烯修饰的碳纳米纤维膜通过如下方法制得:采用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,用Hummers法制备氧化石墨(GO),并进一步将GO在按体积比HNO3∶H2SO4=1∶2~3的混酸中超声13-20h,离心、水洗,除去酸,用蒸馏水稀释成0.01~0.05mg/ml的GO溶液,再超声0.5~1.5h,然后将PAN纳米纤维膜放到滤膜上过滤上述GO溶液,得到氧化石墨修饰的PAN纳米纤维膜,将其在马弗炉中280℃煅烧2~3h,然后转移到管式炉中在惰性气氛下600~700℃保持20~40min,1000℃~1200℃保持0.5~1.5h,得到石墨烯修饰的碳纳米纤维膜(GCFMs)。
所述的Pt的前躯体在石墨烯修饰的碳纳米纤维膜的吸附步骤:新配制H2PtCl6·6H2O水溶液和四氢呋喃的混合液,滴涂到GCFMs电极上,使Pt的担载量为0.20~0.22mg/cm-2。
所述的Pt的前躯体在功能化的碳纳米管的吸附步骤:每10mg功能化的碳纳米管,超声分散于1.0ml~2ml去离子水中,加入H2PtCl6·6H2O水溶液,混匀,使还原后Pt的担载量为5%~40%。
2)将吸附有前躯体的碳载体置于100℃~160℃下,利用还原剂甲醛或甲酸的蒸气与Pt的前躯体反应2~3h;
3)反应完毕后,室温冷却,用无水乙醇、蒸馏水清洗,除去催化剂中氯离子,真空干燥,得到质子交换膜燃料电池催化剂。
与现有技术相比,本发明不是采用浸渍法、沉淀法、液相还原法、化学镀法等传统的催化剂制备方法,而是采用还原剂的蒸气与催化剂化合物前躯体发生反应。本发明所合成的纳米颗粒分散性好,大小均匀,对甲醇的电氧化表现出明显的活性高,稳定性好,抗催化氧化甲醇中间产物能力强。
本发明操作简单,容易实现工业应用。并且还原剂可以重复使用,既节省能,又环保,符合绿色化学的需要。
本发明所制备的产品可用于直接甲醇燃料电池阳极和阴极催化剂,还可以用作其它质子交换膜燃料的催化剂。
附图说明
图1为实施例1合成的Pt/GCFMs催化剂的X射线衍射光谱图。
图2为实施例1合成的Pt/GCFMs催化剂的SEM图。
图3为实施例1合成的Pt/GCFMs催化剂的电催化氧化甲醇循环伏安曲线。
图4为实施例1合成的Pt/GCFMs催化剂在0.45V的恒定电压下,电催化氧化甲醇的计时安培曲线。
图5为实施例4合成的Pt/CNTs催化剂的甲醇电催化氧化循环伏安曲线。
图6为实施例4合成的Pt/CNTs催化剂催化剂在0.45V的恒定电压下,电催化氧化甲醇的计时安培曲线。
具体实施方式
催化剂性能测试条件为:
工作电极:实施例1~3的工作电极是Pt/GCFMs。实施例4~5的工作电极是附着Pt/CNTs的碳纸。
对电极:铂电极;
Pt的担载量:0.21mg/cm2;
参比电极:饱和甘汞电极(SCE);
电解液:N2饱和的0.5mol·L-1H2SO4+1.0mol·L-1CH3OH溶液;
电位扫描速度=50mV·s-1;
电解液温度:25℃.
实施例1:Pt/GCFMs催化剂的制备
采用静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜,用Hummers法制备氧化石墨(GO),并进一步将GO在按体积比HNO3∶H2SO4=1∶3的混酸中超声16h,多次离心、水洗,除去酸,用蒸馏水稀释成3.75×10-2mg/ml的GO水溶液,再超声60min,然后将PAN纳米纤维膜放到滤膜上过滤200ml上述GO溶液,得到氧化石墨修饰的PAN纤维膜,将其在马弗炉中280℃煅烧3h,然后转移到管式炉中在惰性气氛下600℃保持30min,1200℃保持1h,得到石墨烯修饰的碳纳米纤维膜(GCFMs)。
用小刀将GCFMs膜切成10mm×2mm的条直接用作电极。新配制体积比为3∶1的四氢呋喃∶H2PtCl6·6H2O水溶液(Pt的含量为37.67μg/μl)的混合液,滴涂到GCFMs电极上,干燥,在125℃下,通入相同温度的甲醛蒸气与吸附在GCFMs膜上H2PtCl6反应3h,室温冷却,依次用无水乙醇,去离子水多次清洗催化剂。干燥,得到Pt/GCFMs催化剂。
合成的Pt/GCFMs催化剂的X射线衍射光谱图见图1。图中:位于24.9°处的衍射峰归属于C(200)。位于39.8°、46.4°和67.6°处的三个衍射峰,分别归属于Pt的(111)、(200)、(220)和三个晶面的衍射峰。用Scherrer方程(d=0.89λ/Bcosθ)计算Pt粒子的平均直径约为5.2nm。
合成的Pt/GCFMs催化剂的SEM图见图2。从图中我们发现石墨烯修饰碳纤维同时碳纤维使石墨烯片分开,增加了石墨烯的表面积的利用,更有利于Pt均匀的分散在其表面。图中我们可以清晰地看到Pt粒子的大小约5nm左右,与XRD计算值一致。
合成的Pt/GCFMs催化剂的电催化氧化甲醇循环伏安曲线见图3。将电极对甲醇催化氧化时,阳极扫描和阴极扫描过程中所获得的最高峰电流分别标记为If和Ib,图中可以看出,合成的催化剂催化氧化甲醇的峰电流密度If最大值101mA/cm-2,If/Ib值为1.09.这些数据说明,Pt/GCFMs催化剂电催化氧化甲醇的活性高并且对进一步氧化CO等中间产物起到了一定的作用。
合成的Pt/GCFMs催化剂在0.45V的恒定电压下,电催化氧化甲醇的计时安培曲线见图4。图中显示,在达到最大值32.2mA/cm-2后,电流密度随着扫描时间的延长,呈现了一个持续下降的过程。扫描10000s以后,Pt/GCFMs催化剂催化氧化甲醇的电流密度分别下降为11.8mA·cm-2.降低了63.2%。
实施例2:Pt/GCFMs催化剂的制备
石墨烯修饰的碳纳米纤维膜的制备同实施例1。
用小刀将GCFMs膜切成10mm×2mm的条直接用作电极。新配制体积比为3∶1的四氢呋喃∶H2PtCl6·6H2O水溶液(Pt的含量为37.67μg/μl)的混合液,滴涂到GCFMs电极上,干燥,在125℃下,通入相同温度的甲酸蒸气与吸附在GCFMs膜上H2PtCl6反应3h,室温冷却,依次用无水乙醇,去离子水多次清洗催化剂。干燥,得到Pt/GCFMs催化剂。
实施例3:Pt/GCFMs催化剂的制备
石墨烯修饰的碳纳米纤维膜的制备同实施例1。
用小刀将GCFMs膜切成10mm×2mm的条直接用作电极。新配制体积比为3∶1的四氢呋喃∶H2PtCl6·6H2O水溶液(Pt的含量为37.67μg/μl)的混合液,滴涂到GCFMs电极上,干燥,在160℃下,通入相同温度的甲醛蒸气与吸附在GCFMs膜上H2PtCl6反应3h,室温冷却,依次用无水乙醇,去离子水多次清洗催化剂。干燥,得到Pt/GCFMs催化剂。
实施例4:Pt/CNTs催化剂的制备
碳纳米管的功能化处理:将100mg的碳纳米管、94ml的浓硝酸(69%)、80ml的浓硫酸(98%)、以及6ml的去离子水混合于250ml的玻璃烧瓶中,然后将此混合物放进超声波清洗器中超声处理3h,之后将此混合物过滤,用去离子水洗涤数次以除去残余的酸,最后把超声处理过的碳纳米管放置在真空干燥器中于室温下干燥。
取10mg功能化处理过的碳纳米管,超声分散于1.5ml去离子水中,加入100μl Pt的含量为37.67μg/μl的H2PtCl6·6H2O水溶液,混匀,干燥,除去上述体系中的溶剂。在125℃下,通入相同温度的甲醛蒸气与吸附在CNTs上H2PtCl6反应3h,室温冷却,依次用无水乙醇,去离子水多次清洗催化剂,50℃真空干燥12h,得到高度分散的27.3%Pt/CNTs催化剂,产率在95%以上。
合成的Pt/CNTs催化剂的甲醇电催化氧化循环伏安曲线见图5。图中可以看出,合成的催化剂催化氧化甲醇的峰电流密度最大值98mA/cm-2,If/Ib值为1.23.这说明,Pt/CNTs催化剂在电催化氧化甲醇过程中对进一步氧化CO等中间产物起到了很好的作用,有很强的抗中毒能力。
合成的催化剂的甲醇电催化氧化计时安培曲线见图6。图中显示,在达到最大值18mA/cm-2后,电流密度都随着扫描时间的延长,呈现了一个持续下降的过程。扫描10000s以后,Pt/CNTs催化剂催化氧化甲醇的电流密度分别下降为9.7mA·cm-2,降低了46%,说明该催化剂稳定性非常好。
实施例5:Pt/CNTs催化剂的制备
碳纳米管的功能化处理同实施例4。
取10mg功能化处理过的碳纳米管,超声分散于1.5ml去离子水中,加入177μl Pt的含量为37.67μg/μl的H2PtCl6·6H2O,混匀,干燥,除去上述体系中的溶剂。在125℃下,通入相同温度的甲醛蒸气与吸附在CNTs上H2PtCl6反应3h,室温冷却,依次用无水乙醇,去离子水多次清洗催化剂,50℃真空干燥12h,得到高度分散的40%的Pt/CNTs催化剂,产率在95%以上。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将Pt的前驱 体吸附在碳载体上,干燥,除去体系中的溶剂;
所述的碳载体是石墨烯修饰的碳纳米纤维膜或功能化处理的碳纳米管;
2)将吸附有前驱体的碳载体置于100℃~160℃下,利用还原剂甲醛或甲酸的蒸气与Pt的前驱 体反应2~3h;
3)反应完毕后,室温冷却,用无水乙醇、蒸馏水清洗,除去催化剂中氯离子,真空干燥,得到质子交换膜燃料电池催化剂。
2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,所述的石墨烯修饰的碳纳米纤维膜通过如下方法制得:采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纳米纤维膜,用Hummers法制备氧化石墨,并进一步将氧化石墨在按体积比HNO3∶H2SO4=1∶2~3的混酸中超声13-20h,离心、水洗,除去酸,用蒸馏水稀释成0.01~0.05mg/ml的氧化石墨溶液,再超声0.5~1.5h,然后将聚丙烯腈纳米纤维膜放到滤膜上过滤上述氧化石墨溶液,得到氧化石墨修饰的聚丙烯腈纳米纤维膜,将其在马弗炉中280℃煅烧2~3h,然后转移到管式炉中在惰性气氛下600~700℃保持20~40min,1000℃~1200℃保持0.5~1.5h,得到石墨烯修饰的碳纳米纤维膜。
3.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,所述的Pt的前驱 体在石墨烯修饰的碳纳米纤维膜的吸附步骤:新配制H2PtCl6·6H2O水溶液和四氢呋喃的混合液,滴涂到石墨烯修饰的碳纳米纤维膜电极上,使Pt的担载量为0.20~0.22mg/cm2。
4.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于,所述的Pt的前驱 体在功能化的碳纳米管的吸附步骤:每10mg功能化的碳纳米管,超声分散于1.0ml~2ml去离子水中,加入H2PtCl6·6H2O水溶液,混匀,使还原后Pt的担载量为5%~40%。
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Granted publication date: 20130123 Termination date: 20150413 |
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EXPY | Termination of patent right or utility model |