CN104505523A - 一种铂基催化剂/石墨烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铂基催化剂/石墨烯复合材料及其制备方法，所述复合材料由铂基催化剂与石墨烯制备而成，其中石墨烯所占质量分数为20～80%。具体制备步骤如下：一、称取铂基催化剂和氧化石墨，然后加入溶液，均匀混合得混合物A；二、将混合物A超声波分散1～3h，得混合浆液；三、将混合浆料置于反应釜中，在120～180℃条件下加热1～12h，得到材料B；四、将材料B用去离子水洗涤过滤，80℃真空干燥，得到铂基催化剂与石墨烯的复合材料。由于三维石墨烯骨架具有微米级多孔结构，有利于反应物与产物的扩散，减小了传质阻抗，同时由于铂基催化剂包覆在三维结构的石墨烯之内，有效的减少了铂在高电位下的溶解，明显提升了催化剂的稳定性。

Description

一种铂基催化剂/石墨烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种铂基催化剂/石墨烯复合材料及其制备方法。
背景技术
直接醇类燃料电池（DAFC）是一种绿色能源技术，不经过燃烧直接以电化学方式将燃料的化学能转化为电能，具有无污染、燃料来源广、能量转化率高、储存和运输方便等优点，对解决当前世界面临的能源危机和环境污染这两大难题具有重要意义。导致DAFC不能实现商业化的原因主要有两个：成本高、寿命短。因此，研制出高活性、高稳定性的阳极和阴极电催化剂至关重要。
由于在DAFC运行过程中，催化剂处于高温（60-200℃）、强酸性、高电压环境下，并且随着反应的进行，会产生一些对Pt催化剂有毒性的中间产物，故催化剂性能会随着运行时间延长而逐渐衰减。研究表明，导致催化剂性能衰减的主要因素有：（1）Pt的氧化；（2）Pt的溶解再沉积；（3）Pt颗粒的团聚长大；（4）碳载体的腐蚀；（5）杂质的毒化。
为了提高Pt的利用率，降低Pt用量，Pt基合金催化剂是目前研究的重点。合金催化剂的稳定性也越来越受到研究者的重视。从合金催化剂的机理上分析，掺入的金属能影响Pt的表面电子状态（抑制OH吸附），使Pt-Pt间距缩短，防止Pt颗粒的聚集。研究表明，Fe、Co、Ni等金属与Pt形成合金后可以对Pt颗粒起锚定作用从而抑制Pt颗粒在载体表面的迁移团聚，增强了催化剂的稳定性。除了与其它金属形成合金来增强催化剂的稳定性外，使用其它金属或者氧化物对Pt进行修饰是提高催化剂稳定性的更加有效的手段。
由于载体腐蚀对催化剂的性能具有重要的影响，提高载体材料的耐腐蚀能力是增强催化剂稳定性的有效途径。目前多种材料被考虑用作催化剂的载体，主要包括：新型碳材料（碳纳米管、石墨烯、有序介孔碳等）、经过处理的碳材料（石墨化处理、氮化处理、硼化处理等）、导电聚合物、无机材料（TiO2、Ti4O7、TiB2、WxCy、TiN、ITO等）、复合材料等。
由于催化剂金属颗粒在载体表面容易迁移团聚，一些研究者使用氧化物等来锚定金属纳米颗粒，抑制金属颗粒在载体表面的迁移团聚，从而起到增强催化剂稳定性的目的。主要使用的氧化物有SiO2和MnO2等，然而氧化物的缺点是导电性差，容易使催化剂的活性降低。
综上所述，同时提高催化剂活性及其稳定性存在困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种铂基催化剂/石墨烯复合材料及其制备方法，通过将铂基催化剂包覆在三维结构的多孔石墨烯结构之内，减少了铂在高电位下的溶解明显提升了催化剂的稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铂基催化剂/石墨烯复合材料，由铂基催化剂与石墨烯制备而成，其中石墨烯所占质量分数为20～80%。
一种铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，首先制备铂基催化剂，然后与氧化石墨混合，然后加入水和有机溶剂混合超声，经溶剂热处理，最终到高稳定性三维结构的多孔石墨烯包覆的铂基催化剂。具体制备步骤如下：
一、称取铂基催化剂和氧化石墨，然后加入溶液，均匀混合得混合物A；
二、将混合物A超声波分散1～3h，得混合浆液；
三、将混合浆料置于反应釜中，在120～180℃条件下加热1～12h，得到材料B；
四、将材料B用去离子水洗涤过滤，80℃真空干燥，得到铂基催化剂与石墨烯的复合材料，石墨烯所占质量分数为20～80%。
上述制备方法中，所述铂基催化剂的载体类型为导电炭黑XC-72、碳纳米管CNT、石墨烯graphene、介孔碳MC、导电炭黑BP2000、导电金属氧化物、氮化物、碳化物中的一种或多种的混合物。
上述制备方法中，所述铂基催化剂为担载型Pt单金属催化剂、担载型Pt-M二元合金催化剂、担载型Pt-M多元合金催化剂、担载型Pt基核壳型PtM催化剂或担载型Pt基核壳型MPt催化剂。
上述制备方法中，所述溶液水或水与有机溶剂的混合溶液，当溶液为水与有机溶剂的混合溶液时，水与有机溶剂的质量为1～10：1～10，有机溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、丁二醇、四甲基乙二醇、丁三醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种的混合物。
上述制备方法中，溶液的加入量与铂基催化剂的比例为30～60ml：50mg。
上述制备方法中，所述的铂基催化剂与石墨烯的复合材料为具有微米级多孔结构的石墨烯骨架。
本发明具有如下优点：
1、由于三维石墨烯骨架具有微米级多孔结构，有利于反应物与产物的扩散，减小了传质阻抗，同时由于铂基催化剂包覆在三维结构的石墨烯之内，有效的减少了铂在高电位下的溶解，明显提升了催化剂的稳定性。
2、本制备方法简单可行，大幅度提升铂基催化剂稳定性，有望商业化应用。
附图说明
图1为Pt/Cgraphene催化剂的扫描电镜照片；
图2为Pt/Cgraphene催化剂的高倍扫描电镜照片；
图3为Pt/C催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH溶液中的老化测试曲线；
图4为Pt/Cgraphene催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH溶液中的老化测试曲线；
图5为Pt/C和Pt/Cgraphene两种催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH溶液老化过程中电流的归一化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式按照如下步骤制备铂基催化剂/石墨烯复合材料：
称取微波辅助乙二醇法制备的Pt/C催化剂50mg与氧化石墨20mg，向其中加入30ml去离子水，超声分散1h得到黑色浆液，然后将其放入100ml特氟龙密封罐中，120℃条件下水热1h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80℃真空干燥，得到Pt/Cgraphene复合催化剂，其中石墨烯占复合催化剂的质量分数为20%。
具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤制备铂基催化剂/石墨烯复合材料：
称取微波辅助乙二醇法制备的PtRu/C催化剂50mg与氧化石40mg，向其中加入50ml去离子水与乙醇的混合溶剂（质量比1:1），超声分散1.5h得到黑色浆液，然后将其放入100ml特氟龙密封罐中，140℃条件下水热4h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80℃真空干燥，得到Pt/Cgraphene复合催化剂，其中石墨烯占复合催化剂的质量分数为40%。
具体实施方式三：本实施方式按照如下步骤制备铂基催化剂/石墨烯复合材料：
称取微波辅助乙二醇法制备的Pt/C催化剂50mg与氧化石40mg，向其中加入30ml去离子水，超声分散1.5h得到黑色浆液，然后将其放入100ml特氟龙密封罐中，160℃条件下水热10h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80℃真空干燥，得到Pt/C/graphene复合催化剂，其中石墨烯占复合催化剂的质量分数为40%。其性能检测结果如图1-5所示。由图1-2可知，经过水热过后，Pt/Cgraphene复合催化剂呈现三维柱状结构，Pt/C催化剂被“包裹”在三维结构的石墨烯框架之中。图3-4为Pt/C和Pt/Cgraphene催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH老化过程中的循环伏安曲线，可以看到在老化过程中甲醇氧化电流是逐渐减小的。但由图5可以看到，经过1000次的循环伏安老化测试之后Pt/Cgraphene复合催化剂的催化活性降到原来的84.2%要远高于Pt/C催化剂的61.0%，可以看出Pt/Cgraphene复合催化剂具有非常优越的稳定性。
具体实施方式四：本实施方式按照如下步骤制备铂基催化剂/石墨烯复合材料：
称取微波辅助乙二醇法制备的PtRuNi/CNT催化剂50mg与氧化石80mg，向其中加入60ml去离子水与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂(质量比1:10)，超声分散3h得到黑色浆液，然后将其放入100ml特氟龙密封罐中，180℃条件下水热12h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80℃真空干燥，得到Pt/CNTgraphene复合催化剂，其中石墨烯占复合催化剂的质量分数为60%。

Claims (10)

1.一种铂基催化剂/石墨烯复合材料，其特征在于所述复合材料由铂基催化剂与石墨烯制备而成，其中石墨烯所占质量分数为20～80%。
2.根据权利要求1所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料，其特征在于所述石墨烯所占质量分数为20%。
3.根据权利要求1所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料，其特征在于所述石墨烯所占质量分数为40%。
4.根据权利要求1所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料，其特征在于所述石墨烯所占质量分数为60%。
5.一种权利要求1-4任一权利要求所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、称取铂基催化剂和氧化石墨，然后加入溶液，均匀混合得混合物A；
二、将混合物A超声波分散1～3h，得混合浆液；
三、将混合浆料置于反应釜中，在120～180℃条件下加热1～12h，得到材料B；
四、将材料B用去离子水洗涤过滤，80℃真空干燥，得到铂基催化剂与石墨烯的复合材料。
6.根据权利要求5所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述溶液为水或水与有机溶剂的混合溶液。
7.根据权利要求6所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述溶液为水与有机溶剂的混合溶液时，水与有机溶剂的质量为1～10：1～10。
8.根据权利要求5或6所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、丁二醇、四甲基乙二醇、丁三醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求5所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述所述铂基催化剂为担载型Pt单金属催化剂、担载型Pt-M二元合金催化剂、担载型Pt-M多元合金催化剂、担载型Pt基核壳型PtM催化剂或担载型Pt基核壳型MPt催化剂。
10.根据权利要求9所述的铂基催化剂/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述铂基催化剂的载体类型为导电炭黑XC-72、碳纳米管CNT、石墨烯graphene、介孔碳MC、导电炭黑BP2000、导电金属氧化物、氮化物、碳化物中的一种或多种的混合物。
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