CN102974341A - 纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,涉及高稳定性质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法。本发明解决了当今质子交换膜燃料电池催化剂性能衰减机理中存在的纳米级催化剂粒子中毒、燃料传输受阻及催化剂制备成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高稳定性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(PEMFC)由于其具有能量密度高、环境友好、携带方便等突出优点而被广泛研究。然而目前的质子交换膜燃料电池催化剂稳定性衰减的机理中存在的纳米级催化剂金属粒子中毒、醇类燃料传输受阻及催化剂制备成本高的问题;另外,金属纳米颗粒在碳载体上的迁移、团聚或溶解再沉积,造成催化剂电化学面积的降低,活性位的减少。
发明内容
本发明的目的为了解决现有质子交换膜燃料电池催化剂性能衰降的机理中存在的纳米级催化剂金属粒子中毒、醇类燃料传输受阻及催化剂制备成本高的问题;而提供了纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法。
本发明中纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法是按以下步骤实现:一、将阳离子型表面活性剂和载体溶于多元醇中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阳离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为石墨烯、碳纳米管、XC-72炭黑、介孔碳或碳纤维,所述的阳离子型表面活性剂有十二烷基二甲基叔胺醋酸盐、十六烷基三甲基溴化铵、杂环类如咪唑啉、吗啉胍类、三嗪类衍生物中的一种;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的10%~60%向上述混合物中加入金属前驱体盐形成混合浆液,其中金属前驱体盐为Pd(C2H3O2)2、PdCl2、PtCl4、AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。该方法制备的催化剂与普通的单独催化剂纳米颗粒比较,具有抗毒化作用的优势晶面,同时有效地抑制催化剂的长大和团聚,保持了催化剂良好的稳定性。
本发明中纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法还可按以下步骤实现:一、将阴离子型表面活性剂和载体溶于多元醇等溶剂中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阴离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为石墨烯、碳纳米管、XC-72炭黑、介孔碳或碳纤维,所述的阴离子型表面活性剂为硬脂酸、油酸、月桂酸、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或甘胆酸;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的10%~60%向上述混合物中加入金属前驱体盐,形成混合浆液,其中金属前驱体盐为AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Pd(C2H3O2)2、PtCl4、PdCl2、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。该方法制备的催化剂与普通的单独催化剂纳米颗粒比较,具有抗毒化作用的优势晶面,同时有效地抑制催化剂的长大和团聚,保持了催化剂良好的稳定性。
附图说明
图1是具体实施方式十五中采用使用微波辅助多元法制得的金属载量为20%的纳米晶结构PtPd/C催化剂的透射电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式中纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法是按以下步骤实现:一、将阳离子型表面活性剂和载体溶于多元醇中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阴离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为石墨烯、碳纳米管、XC-72炭黑、介孔碳或碳纤维,所述的阳离子型表面活性剂有十二烷基二甲基叔胺醋酸盐、十六烷基三甲基溴化铵、杂环类如咪唑啉、吗啉胍类、三嗪类衍生物中的一种;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的20%~60%向上述混合物中加入金属前驱体盐,形成混合浆液,其中金属前驱体盐为Pd(C2H3O2)2、PdCl2、PtCl4、AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。
本实施方式方法制备催化剂具有纳米晶结构具有抗毒化作用的优势晶面,同时有效地抑制催化剂的长大和团聚,保持了催化剂良好的稳定性。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,3-丁二醇或季戊四醇。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式中纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法是按以下步骤实现:一、将阴离子型表面活性剂和载体溶于多元醇中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阳离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为XC-72炭黑、碳纳米管、介孔碳或碳纤维,所述的阴离子型表面活性剂为硬脂酸、油酸、月桂酸、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或甘胆酸;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的10%~60%向上述混合物中形成混合浆液,其中金属前驱体盐为AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Pd(C2H3O2)2、PtCl4、PdCl2、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。
本实施方式方法制备催化剂具有的交错一维纳米晶树枝状网形结构可以控制金属粒子的溶解长大、团聚和奥斯特瓦尔德熟化过程;与普通的单独催化剂纳米颗粒比较具有抗毒化作用的优势晶面,同时有效地抑制催化剂的长大和团聚,保持了催化剂良好的稳定性。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式三不同的是:步骤一所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,3-丁二醇或季戊四醇。其它步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:本实施方式以制备纳米晶结构PtxPdy/C催化剂为例,以下是实现方案:一、将十六烷基三甲基溴化铵和XC-72炭黑溶于已二醇溶剂中,在超声频率53kHz、超声功率为200W条件下超声30min,以500转/分钟速度机械搅拌30min,得到均一的混合物,混合物中表面活性剂的浓度为8.6×10-3mol/L(临界胶束浓度);二、按金属的总负载量20%(质量)向上述混合物中加入PtCl4和K2PdCl4,形成混合浆液,其中所述PtCl4和K2PdCl4中Pt和Pd的原子比为1∶1;三、将步骤二获得的混合浆液采用直接微波加热50s,微波加热温度为160℃,然后经抽滤,用蒸馏水洗涤5次,再在80℃条件下干燥4h,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。
经过本实施方式使用微波辅助多元醇法制得的金属载量为20%的PtPd/C纳米晶结构催化剂的透射照片[,如图1所示,无担载型PtPd纳米晶合金催化剂粒子高度分散,由许多六边形(截角八面体)纳米晶构成,晶面间距d为0.2225nm,说明主要以{111}晶面存在,d值略小于0.23nm,说明PtPd合成了合金结构。20%的PtPd/C纳米晶结构催化剂中Pt含量仅占约13%,Pd盐也较Pt便宜很多,因而大大降低了催化剂的制备成本。
Claims (4)
1.纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法是按以下步骤实现:一、将阳离子型表面活性剂和载体溶于多元醇等溶剂中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阳离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为石墨烯、碳纳米管、XC-72炭黑、介孔碳或碳纤维,所述的阳离子型表面活性剂有十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基叔胺醋酸盐、杂环类如咪唑啉、吗啉胍类、三嗪类衍生物中的一种;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的10%~60%向上述混合物中加入金属前驱体盐形成混合浆液,其中金属前驱体盐为Pd(C2H3O2)2、PdCl2、PtCl4、AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。
2.根据权利要求1所述的纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于步骤一所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,3-丁二醇或季戊四醇。
3.纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法是按以下步骤实现:一、将阴离子型表面活性剂和载体溶于多元醇等溶剂中,超声处理后机械搅拌,得到均一的混合物,混合物中阳离子型表面活性剂的浓度为0.5~3倍临界胶束浓度,所述的载体为石墨烯、碳纳米管、XC-72炭黑、介孔碳或碳纤维,所述的阴离子型表面活性剂为硬脂酸、油酸、月桂酸、十二烷基硫酸钠、月桂醇硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或甘胆酸中的一种;二、按金属前驱体盐中金属元素的总负载量的10%~60%向上述混合物中加入金属前驱体盐形成混合浆液,其中金属前驱体盐为AuCl3、AgNO3、IrCl3、RhCl3、Pd(C2H3O2)2、PtCl4、PdCl2、Na2PtCl6、Na2PdCl4、K2PtCl6、H2PdCl4、HAuCl4、H2IrCl6、H2PtCl6、K2PdCl4、KAuCl4、NaAuCl4、Na2IrCl6或K2IrCl6;三、将步骤二获得的混合浆液微波加热至反应完全,微波加热温度控制在80~160℃,然后经抽滤、洗涤、干燥处理后,即得到纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂。
4.根据权利要求3所述的纳米晶结构质子交换膜燃料电池催化剂的制备方法,其特征在于步骤一所述多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、1,3-丁二醇或季戊四醇。
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