CN104549407A - 一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法 - Google Patents

一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，步骤如下：一、称取一定量的碳源和去离子水混合，超声分散1~3h；二、称取一定量的碳纳米管并与碳源的溶液混合，得混合物A；三、将混合物A置于反应釜中，在140~180℃条件下加热1~12h，冷却后，去离子水洗涤过滤，真空干燥得到材料B；四、将材料B作为载体，用微波辅助乙二醇还原法制备铂基催化剂，得到铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂。发明通过将氮掺杂碳量子点修饰未处理的碳纳米管，并与其复合，提高了铂粒子在该复合载体的分散性，从而提升了催化剂的活性。制备方法简单可行，较大程度提升了铂基催化剂的活性，有望商业化应用。

Description

一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种新型铂基催化剂载体的制备方法。
背景技术
直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种绿色友好型能源技术，具有运行温度低、能量密度高、携带方便和安全性好等特点。其中，阳极催化剂是DMFC的核心材料，因此，提高阳极催化剂的活性以及稳定性是其发展的关键。
载体材料对提高DMFC电催化剂的活性和稳定性具有重要的影响。首先是对催化剂活性的影响。目前应用最广泛的载体是传统的Vulcan XC-72，但由于该种碳材料在燃料电池工作环境下易腐蚀，使金属粒子容易发生团聚、迁移现象，造成活性的显著下降。其次，载体对催化剂的稳定性也有影响。增强载体与活性粒子之间结合力，可以有效的防止金属粒子的迁移团聚。因此，催化剂载体的改进，是提高催化剂活性和稳定性的有效途径之一。
催化剂载体的改进可以从以下两个方面着手，一是采用新型碳材料抑制载体的腐蚀，如介孔碳、碳纳米管、石墨烯以及碳纳米纤维等。
它们具有比表面积大、导电性好以及催化效率高等优点，有利于降低催化剂的载量以及整个电池的成本。二是采用新型的载体材料，如
氮化物（TiN、BN）、碳化物(WC、TiC)、无机金属氧化物（SnO2、CeO2）以及导电聚合物等。它们可以增强金属载体相互作用、提高催化剂的耐腐蚀性等。然而，它们在比表面积方面还不太理想，均低于现有的载体材料。
载体是DMFC负载型催化剂的关键材料之一，载体材料的选择是至关重要的，它很大程度上决定了催化剂和整个电池的行为、性能、寿命以及有效性。因此，为了提高催化剂的活性以及稳定性，对于新型载体的研究有着重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，通过将氮掺杂碳量子点修饰未处理的碳纳米管，并与其复合，提高了铂粒子在该复合载体的分散性，从而提升了催化剂的活性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，首先通过一步水热法制备氮掺杂碳量子点-碳纳米管复合材料，并以此作为催化剂载体，通过微博辅助乙二醇还原法制备铂基催化剂，最终得到电催化活性较高的氮掺杂碳量子点修饰碳纳米管的铂基催化剂。具体步骤如下：
一、称取一定量的碳源和去离子水混合，超声分散1~3 h；
二、称取一定量的碳纳米管并与碳源的溶液混合，得混合物A；
三、将混合物A置于反应釜中，在140~180 ℃条件下加热1~12 h，冷却后，去离子水洗涤过滤，60~80 ℃真空干燥得到材料B；
四、将材料B作为载体，用微波辅助乙二醇还原法制备铂基催化剂，得到铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂。
上述制备方法中，所述碳源包括以下三种：乙二胺四乙酸，柠檬酸与尿素（质量比1:1），葡萄糖与甘氨酸（质量比1:1）。
上述制备方法中，所述去离子水与碳源的质量比为1:1~20。
上述制备方法中，所述铂基催化剂的载体类型为碳纳米管CNT。
上述制备方法中，碳纳米管与碳源质量比为1:50~150。
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。
上述制备方法中，所述的氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体为纳米级的复合材料。
本发明具有如下优点：
1、由于氮掺杂碳量子点对未处理的碳纳米管的修饰，使其相比未处理的碳纳米管在水溶液中分散性更好，同时更有益于铂粒子在该载体上的沉积，有效的提升了催化剂的电催化活性。
2、本制备方法简单可行，较大程度提升了铂基催化剂的活性，有望商业化应用。
附图说明
图1为NCQDs-CNT载体的高分辨透射电镜照片；
图2为Pt/NCQDs-CNT催化剂的高分辨透射电镜照片；
图3为Pt/NCQDs-CNT 和Pt/CNT两种催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH溶液中甲醇电催化氧化的循环伏安曲线；
图4为Pt/NCQDs-CNT 和Pt/CNT两种催化剂在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH溶液中电化学阻抗谱。
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/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂：
称取1.0 g乙二胺四乙酸和20 mL去离子水混合，超声分散1 h；称取20 mg碳纳米管并与乙二胺四乙酸溶液混合，将混合物置于50 mL特氟龙密封罐中，140℃条件下水热1 h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80 ℃真空干燥，得到氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体。通过微波辅助乙二醇还原法制备该铂基催化剂。
具体实施方式二：本实施方式按照如下步骤制备铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂：
称取3.0 g柠檬酸与尿素（1:1）和20 mL去离子水混合，超声分散2 h；称取20 mg碳纳米管并与该溶液混合，将混合物置于50 mL特氟龙密封罐中，160 ℃条件下水热4 h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，60 ℃真空干燥，得到氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体。通过微波辅助乙二醇还原法制备该铂基催化剂。
具体实施方式三：本实施方式按照如下步骤制备铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂：
称取2.0 g葡萄糖与甘氨酸（1:1）和20 mL去离子水混合，超声分散3 h；称取20 mg碳纳米管并与该溶液混合，将混合物置于50 mL特氟龙密封罐中，180 ℃条件下水热8 h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80℃真空干燥，得到氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体。通过微波辅助乙二醇还原法制备该铂基催化剂。
具体实施方式四：本实施方式按照如下步骤制备铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂：
称取2.0 g乙二胺四乙酸和20 mL去离子水混合，超声分散2 h；称取20 mg碳纳米管并与乙二胺四乙酸溶液混合，将混合物置于50 mL特氟龙密封罐中，200 ℃条件下水热12 h，待冷却至室温用后用去离子水洗涤，80 ℃真空干燥，得到氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体。通过微波辅助乙二醇还原法制备该铂基催化剂。其性能检测结果如图1-4所示。
由图1可知，经水热后，氮掺杂碳量子点在碳纳米管上，与碳纳米管复合在一起。
由图2可以看出，铂粒子沉积在氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体上，并与氮掺杂碳量子点结合。
由图3可以看到，Pt/NCQDs-CNT 比Pt/CNT催化剂上甲醇的氧化峰电流密度最高，约为Pt/CNT催化剂 的 1.3倍，表现出较好的电催化性能。
由图4可以明显看出，Pt/NCQDs-CNT催化剂的反应弧小于Pt/CNT，表明NCQDs的加入可以使电化学反应速率加快。

Claims (8)

1.一种铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、称取一定量的碳源和去离子水混合，超声分散1~3 h，控制去离子水与碳源的质量比为1:1~20；
二、称取一定量的碳纳米管并与碳源的溶液混合，得混合物A，控制碳纳米管与碳源质量比为1:50~150；
三、将混合物A置于反应釜中，在140~180 ℃条件下加热1~12 h，冷却后，去离子水洗涤过滤，真空干燥得到材料B；
四、将材料B作为载体，用微波辅助乙二醇还原法制备铂基催化剂，得到铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂。
2.根据权利要求1所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述碳源为以下三种之一：乙二胺四乙酸、柠檬酸与尿素的混合物、葡萄糖与甘氨酸的混合物。
3.根据权利要求2所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述柠檬酸与尿素的质量比为1:1。
4.根据权利要求2所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述葡萄糖与甘氨酸的质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述真空干燥温度为60~80 ℃。
6.根据权利要求1所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述铂基催化剂为担载型Pt单金属催化剂。
7.根据权利要求1或6所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述铂基催化剂的载体类型为碳纳米管CNT。
8.根据权利要求1所述的铂基/氮掺杂碳量子点-碳纳米管催化剂的制备方法，其特征在于所述的氮掺杂碳量子点-碳纳米管载体为纳米级的复合材料。
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