CN103606687A - 一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池领域,公开了一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3及其制备方法:采用旋转喷涂法在ITO导电玻璃上形成单层的PS模板;在钼酸溶液中加入HCHO,生成氢钼青铜溶胶;利用溶胶凝胶法,将氢钼青铜滴于载有PS模板的ITO导电玻璃上,使其填充在PS模板的间隙中,干燥后,用甲苯溶液将PS模板去除,得到多孔阵列HxMoO3;利用脉冲电压的电化学方法将多孔阵列HxMoO3于H2PtCl6溶液中电沉积,将铂前驱体还原成纳米铂,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。该催化剂比表面积大,形貌结构好,电催化甲醇氧化活性高和抗中间产物中毒能力强。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,特别涉及一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3及其制备方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将甲醇氧化反应的化学能直接转换成电能的发电装置,具有原料来源广泛且易于储存和运输、能量密度高、环境污染小、工作温度低等优点,被认为是最有可能商业化的燃料电池之一。但DMFC的发展仍然还面临很多问题,尤其是阳极催化剂的高成本和低活性。为了加速DMFC的商业化进程,发展低铂、高活性的阳极催化剂显得十分重要和关键。
研究表明,HxMoO3对铂催化氧化甲醇有很好的促进作用,所以Pt-HxMoO3复合催化剂在DMFC阳极催化剂中具有很好的应用前景。而二维和三维的孔阵列结构由于具有大的比表面积也得到了广泛地研究。目前,通常以聚苯乙烯球(PS)或者硅为模板,通过电沉积法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、液相反应法来制备具有孔阵列结构的材料。多孔阵列Pt-HxMoO3催化剂具有比表面积大、高的甲醇催化氧化活性的特点。但是,对多孔阵列Pt-HxMoO3催化剂的研究比较少。因此,发展一种新的方法制备多孔阵列Pt-HxMoO3催化剂显得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点,提供一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3,该阳极催化剂比表面积大、活性高。
本发明的另一目的在于提供上述用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,该制备方法操作简单、成本低。
本发明的再一目的在于提供上述用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,包括如下步骤:
(1)PS模板的组装:采用旋转喷涂法在经过预处理的玻璃片上形成一层PS;培养皿中装满去离子水,并滴入1~3滴2wt%的十二烷基硫酸钠;然后将玻璃片浸入到培养皿中,当玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS时,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于60~90℃真空干燥1~3h,得到PS/ITO;
(2)多孔阵列HxMoO3的制备:将1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将5~20mL浓盐酸加入钼酸铵溶液中,搅拌0.5~3.5h,制成钼酸溶液(H2MoO4);然后在钼酸溶液中加入HCHO,反应1~4h,生成氢钼青铜溶胶(HxMoO3);取2~4滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于60~90℃真空干燥3~6h,最后将附有氢钼青铜溶胶的PS/ITO浸入甲苯中浸泡1~3h,于60~90℃真空干燥1~3h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备:采用脉冲电压的方法,将步骤(2)得到的多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0~0.5V电沉积0.3s后转为-2.0~-1.0V电沉积0.1s,共循环5~30次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3;
步骤(1)中所述的玻璃片的预处理依次包括如下步骤:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5~2h,再用无水乙醇超声0.5~2h,接着用体积比为(2~5):1的浓H2SO4和双氧水的混合溶液浸泡1~3h,再用体积比为(4~7):1:1的去离子水、氨水和双氧水的混合溶液浸泡1~3h,最后用去离子水洗净,70~90℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;所述的浓H2SO4的质量分数为98%,所述的双氧水的质量分数为30%,所述的氨水的质量分数为28%;
步骤(1)中所述的ITO导电玻璃的预处理依次包括如下步骤:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5~2h,再用无水乙醇超声0.5~2h,最后用去离子水洗净,70~90℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
步骤(1)中所述玻璃片大小为3cm×3cm;ITO导电玻璃大小为1cm×2cm,电阻是20Ω/cm2;
步骤(1)中所述的培养皿的直径为70、90或150mm;
步骤(1)中所述的旋转喷涂法依次包括如下步骤:将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加3~5滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在300~1500r·min-1的速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
所述的单分散的PS乳液的制备依次包括如下步骤:取20~40mL苯乙烯和150~250mL去离子水,混合加热搅拌至70~90℃后缓慢加入20~30mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在70~90℃持续搅拌15~24h,搅拌速度为200~700r·min-1,冷却至20~30℃即得到单分散的PS溶液;
步骤(2)中所述的钼酸铵与浓盐酸的质量体积比为1g:(5~20)mL,浓盐酸的质量浓度为30%~40%;
步骤(2)中所述的HCHO与钼酸铵的体积质量比为(40~60)mL:1g;
步骤(3)中的所述的脉冲电压方法是采用三电极体系。
本发明制备得到的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3比表面积大、活性高,可广泛用于电池领域。
本发明的设计原理是:采用旋转喷涂法可以在ITO导电玻璃上得到单层排列有序的PS模板;利用溶胶凝胶法,将氢钼青铜滴于载有PS模板的ITO导电玻璃上,使其填充在PS模板的间隙中,干燥后,再用甲苯溶液将PS模板去除,可以获得多孔阵列HxMoO3;利用脉冲电压的电化学方法将铂前驱体还原成粒径小且分布均匀的纳米铂,即可得到催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(如图1所示)。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果:
(1)本发明催化剂的制备方法简单,无需添加高分子聚合物作为分散剂和稳定剂,获得的铂颗粒粒径小且分布均匀。
(2)本发明的多孔阵列HxMoO3用作载铂支撑体,保证催化剂具有规整的几何形貌和高度均匀性。
(3)本发明制备得到的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3比表面积大、活性高的电催化活性很高,对甲醇氧化中间产物的抗中毒能力强。
附图说明
图1为实施例1用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备流程图;A:采用旋转喷涂法在经过预处理的玻璃片上形成一层PS;B:将玻璃片轻轻浸入到滴有1~3滴2wt%的十二烷基硫酸钠的水中;C:玻璃片上的PS漂浮在水面上;D:用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS;E:PS排列在ITO导电玻璃上;F:氢钼青铜溶胶滴于PS模板上;G:氢钼青铜填充在PS模板的间隙;H:用甲苯溶解掉PS模板;I:Pt负载于多孔阵列HxMoO3上,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
图2为对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3(a)和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(b)的EDS对比图。
图3为对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO(a)、对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3(b)和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(c)在0.5mol/L H2SO4中的循环伏安曲线对比图。
图4为对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO(a)、对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3(b)和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(c)在0.5mol/L CH3OH+0.5mol/L H2SO4中的循环伏安曲线对比图。
图5为对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO(a)、对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3(b)和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(c)在0.5mol/L CH3OH+0.5mol/L H2SO4中的计时电位曲线对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例及对比实施例采用的主要原材料及来源如表1所示。
表1主要原材料及来源
序号 | 名称 | 分子式/符号 | 试剂厂家 | 外观 |
1 | 苯乙烯 | C8H8 | 广州试剂厂 | 无色液体 |
2 | 氯铂酸 | H2PtCl6·6H2O | 天津科密欧公司 | 橙黄色晶体 |
3 | 甲醇 | CH3OH | 广州试剂厂 | 无色液体 |
4 | 甲醛 | HCHO | 广州试剂厂 | 无色液体 |
5 | 浓盐酸 | HCl | 广州试剂厂 | 无色液体 |
6 | 钼酸铵 | (NH4)6Mo7O24·4H2O | 天津大茂试剂厂 | 白色晶体 |
实施例1
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,接着用体积比为3:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡2h,再用体积比为5:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡2h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取30mL苯乙烯和200mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至70℃后缓慢加入25mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在70℃持续搅拌16h,搅拌速度为400r·min-1,冷却至20℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加4滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在800r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为90mm的培养皿中装满去离子水,并滴入2滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于70℃真空干燥2h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将10mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌0.5h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入50mL HCHO,反应2h,得到氢钼青铜溶胶;
取3滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于70℃真空干燥4h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡2h,于70℃真空干燥2h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.1V电沉积0.3s后转为-1.0V电沉积0.1s,共循环10次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
实施例2
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声2h,再用无水乙醇超声2h,接着用体积比为4:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡3h,再用体积比为6:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡3h,最后用去离子水洗净,80℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声2h,再用无水乙醇超声2h,最后用去离子水洗净,80℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取40mL苯乙烯和250mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至90℃后缓慢加入30mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在90℃持续搅拌24h,搅拌速度为700r·min-1,冷却至30℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加3滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在1500r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为150mm的培养皿中装满去离子水,并滴入3滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于90℃真空干燥3h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将20mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌3.5h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入60mL HCHO,反应4h,得到氢钼青铜溶胶;
取4滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于90℃真空干燥6h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡3h,于80℃真空干燥3h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.5V电沉积0.3s后转为-2.0V电沉积0.1s,共循环30次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
实施例3
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5h,再用无水乙醇超声0.5h,接着用体积比为2:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1h,再用体积比为4:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5h,再用无水乙醇超声0.5h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取20mL苯乙烯和150mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至80℃后缓慢加入20mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在80℃持续搅拌15h,搅拌速度为200r·min-1,冷却至25℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加5滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在300r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为70mm的培养皿中装满去离子水,并滴入1滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于60℃真空干燥1h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将5mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌1h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入40mL HCHO,反应1h,得到氢钼青铜溶胶;取2滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于60℃真空干燥3h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡1h,于60℃真空干燥1h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0V电沉积0.3s后转为-1.5V电沉积0.1s,共循环5次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
实施例4
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1.5h,再用无水乙醇超声1.5h,接着用体积比为5:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1.5h,再用体积比为7:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1.5h,最后用去离子水洗净,80℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(1大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1.5h,再用无水乙醇超声1.5h,最后用去离子水洗净,80℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取30mL苯乙烯和250mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至75℃后缓慢加入30mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在75℃持续搅拌24h,搅拌速度为500r·min-1,冷却至20℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加4滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在1500r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为90mm的培养皿中装满去离子水,并滴入3滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于80℃真空干燥2h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将20mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌2h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入60mL HCHO,反应3h,得到氢钼青铜溶胶;
取3滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于70℃真空干燥5h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡2h,于90℃真空干燥1h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.2V电沉积0.3s后转为-1.5V电沉积0.1s,共循环15次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
实施例5
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,接着用体积比为3:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡2h,再用体积比为7:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡3h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取30mL苯乙烯和150mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至85℃后缓慢加入20mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在85℃持续搅拌17h,搅拌速度为600r·min-1,冷却至25℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加5滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在1200r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为70mm的培养皿中装满去离子水,并滴入1滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于60℃真空干燥3h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将15mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌2.5h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入50mL HCHO,反应2h,得到氢钼青铜溶胶;
取2滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于60℃真空干燥6h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡2h,于70℃真空干燥1h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.3V电沉积0.3s后转为-2.0V电沉积0.1s,共循环20次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
实施例6
(1)玻璃片(大小为3cm×3cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声2h,再用无水乙醇超声2h,接着用体积比为4:1的浓H2SO4(质量分数为98%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1h,再用体积比为6:1:1的去离子水、氨水(质量分数为28%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液浸泡1h,最后用去离子水洗净,90℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;
ITO导电玻璃(大小为1cm×2cm,电阻为20Ω/cm2)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声2h,再用无水乙醇超声2h,最后用去离子水洗净,90℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
取35mL苯乙烯和200mL去离子水,置于500mL的四口圆底烧瓶中,混合加热搅拌至70℃后缓慢加入25mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在70℃持续搅拌19h,搅拌速度为300r·min-1,冷却至30℃即得到单分散的PS溶液;
采用旋转喷涂法,将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加3滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在800r·min-1速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS;
在直径为150mm的培养皿中装满去离子水,并滴入2滴2wt%的十二烷基硫酸钠,然后将玻璃片浸入到培养皿中,此时玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于80℃真空干燥1h,得到PS/ITO;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40ml H2O中,制得钼酸铵溶液;将10mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌3h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入60mL HCHO,反应3h,得到氢钼青铜溶胶;
取3滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于80℃真空干燥4h,最后将其浸入甲苯溶液中浸泡3h,于80℃真空干燥2h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)采用脉冲电压的方法,将多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.4V电沉积0.3s后转为-1.0V电沉积0.1s,共循环25次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
对比实施例1
(1)ITO导电玻璃(1cm×2cm)的预处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
(2)采用脉冲电压的方法,将ITO在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.1V电沉积0.3s后转为-1.0V电沉积0.1s,共循环10次,得到催化剂Pt-ITO。
对比实施例2
(1)ITO导电玻璃(1cm×2cm)的处理:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声1h,再用无水乙醇超声1h,最后用去离子水洗净,70℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃;
(2)称取1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40ml H2O中,制得钼酸铵溶液;将10mL浓盐酸(质量浓度为30~40%)加入钼酸铵溶液中,搅拌0.5h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入50mL HCHO,反应2h,得到氢钼青铜溶胶;
取3滴氢钼青铜溶胶滴于ITO上,于70℃真空干燥4h,得到HxMoO3/ITO;
(3)采用脉冲电压的方法,将HxMoO3/ITO在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0.1V电沉积0.3s后转为-1.0V电沉积0.1s,共循环10次,得到催化剂Pt-HxMoO3。
性能测试:
(1)EDS表征:为了排除铂载量对催化性能的影响,将对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3(a)和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3(b)进行EDS表征(图2)。可以得到,Pt-HxMoO3的铂载量是8.97wt.%,而Pt-p-HxMoO3的铂载量是8.81wt.%。说明Pt-p-HxMoO3的铂载量少于Pt-HxMoO3的铂载量,从而排除了铂载量对Pt-p-HxMoO3良好催化性能的影响。
(2)电化学测试:工作电极分别为对比实施例1制备的载有催化剂Pt-ITO的ITO导电玻璃、对比实施例2制备的载有催化剂Pt-HxMoO3的ITO导电玻璃和实施例1制备的载有用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的ITO导电玻璃,参比电极为Ag/AgCl电极(饱和KCl溶液),对电极为铂片电极。将载有催化剂的ITO导电玻璃分别置于0.5mol/L H2SO4溶液中-0.2~1.2V电位范围内循环伏安扫描5个循环活化(如图3),扫描速度为50mV/s。再将活化后的电极置于0.5mol/L H2SO4和0.5mol/L CH3OH的混合溶液中0~1.0V电位范围内循环伏安扫描10个循环(如图4),速度为50mV/s。图5是对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO、对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3和实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3于0.5mol/L H2SO4和0.5mol/L CH3OH的混合溶液中,在15mA cm-2的电流进行恒电流测试。
由图3可见,实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的电化学活性面积明显大于对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO和对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3。经过换算,Pt-ITO、Pt-HxMoO3和Pt-p-HxMoO3的活性面积分别为3.91m2g-1,5.11m2g-1和7.98m2g-1。
由图4可见,Pt-ITO、Pt-HxMoO3和Pt-p-HxMoO3的峰电流分别为2.75mAcm-2,4.89mA cm-2,6.41mA cm-2,实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3对甲醇氧化的性能优于对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO和对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3。
由图5可见,实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的抗甲醇氧化中间体的中毒能力优于对比实施例1制备的催化剂Pt-ITO和对比实施例2制备的催化剂Pt-HxMoO3。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)PS模板的组装:采用旋转喷涂法在经过预处理的玻璃片上形成一层PS;培养皿中装满去离子水,并滴入1~3滴2wt%的十二烷基硫酸钠;然后将玻璃片浸入到培养皿中,当玻璃片上的PS漂浮到水面上,形成单层PS时,再用经过预处理的ITO导电玻璃捞起水面上的PS,于60~90℃真空干燥1~3h,得到PS/ITO;
(2)多孔阵列HxMoO3的制备:将1g(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于40mL H2O中,制得钼酸铵溶液;将5~20mL浓盐酸加入钼酸铵溶液中,搅拌0.5~3.5h,制成钼酸溶液;然后在钼酸溶液中加入HCHO,反应1~4h,生成氢钼青铜溶胶;取2~4滴氢钼青铜溶胶滴于步骤(1)得到的PS/ITO上,于60~90℃真空干燥3~6h,最后将附有氢钼青铜溶胶的PS/ITO浸入甲苯中浸泡1~3h,于60~90℃真空干燥1~3h,得到多孔阵列HxMoO3;
(3)阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备:采用脉冲电压的方法,将步骤(2)得到的多孔阵列HxMoO3在5mmol·L-1H2PtCl6+0.1mol·L-1H2SO4溶液中0~0.5V电沉积0.3s后转为-2.0~-1.0V电沉积0.1s,共循环5~30次,得到用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3。
2.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中所述的玻璃片的预处理依次包括如下步骤:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5~2h,再用无水乙醇超声0.5~2h,接着用体积比为(2~5):1的浓H2SO4和双氧水的混合溶液浸泡1~3h,再用体积比为(4~7):1:1的去离子水、氨水和双氧水的混合溶液浸泡1~3h,最后用去离子水洗净,70~90℃中烘干,得到经过预处理的玻璃片;所述的浓H2SO4的质量分数为98%,所述的双氧水的质量分数为30%,所述的氨水的质量分数为28%;
步骤(1)中所述的ITO导电玻璃的预处理依次包括如下步骤:先用洗洁精清洗,然后用丙酮超声0.5~2h,再用无水乙醇超声0.5~2h,最后用去离子水洗净,70~90℃中烘干,得到经过预处理的ITO导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的旋转喷涂法包括如下步骤:将经过预处理的玻璃片固定在旋转涂布机上,滴加3~5滴单分散的PS乳液在经过预处理的玻璃片上,然后在300~1500r·min-1的速率下旋转干燥,待水分挥发后在玻璃片上形成一层PS。
4.根据权利要求3所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:所述的单分散的PS乳液的制备依次包括如下步骤:取20~40mL苯乙烯和150~250mL去离子水,混合加热搅拌至70~90℃后缓慢加入20~30mL3.6g·mL-1的过硫酸钾溶液,氮气氛围下保持在70~90℃持续搅拌15~24h,搅拌速度为200~700r·min-1,冷却至20~30℃即得到单分散的PS溶液。
5.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的钼酸铵与浓盐酸的质量体积比为1g:(5~20)mL,浓盐酸的质量浓度为30%~40%。
6.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的HCHO与钼酸铵的体积质量比为(40~60)mL:1g。
7.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的脉冲电压方法是采用三电极体系。
8.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的玻璃片大小为3cm×3cm;所述ITO导电玻璃大小为1cm×2cm,电阻是20Ω/cm2;所述的培养皿的直径为70、90或150mm。
9.一种用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3,其特征在于:采用权利要求1~8中任一项所述方法制备得到。
10.权利要求9所述的用于直接甲醇燃料电池的阳极催化剂多孔阵列Pt-p-HxMoO3在制造燃料电池中的应用。
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