CN106887602A - 一种Ag-CuO/C催化剂及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于催化剂及其制备技术领域，具体的说涉及一种用于金属空气燃料电池、碱性阴离子交换膜燃料电池及其他碱性条件下的Ag/CuO/C氧还原电催化剂及其制备和应用。该催化剂的制备过程无有毒物质参与，安全无污染、有利于环境保护，该催化剂应用范围广，可用作金属空气燃料电池氧还原催化剂、碱性阴离子交换膜燃料电池氧还原催化剂、以及其他碱性条件下氧还原催化剂。

Description

一种Ag-CuO/C催化剂及其制备和应用
发明内容
本发明属于催化剂及其制备技术领域，具体的说涉及一种用于金属空气燃料电池、碱性阴离子交换膜燃料电池及其他碱性条件下的氧还原催化剂及其制备和应用。
背景技术
燃料电池是一种环境友好的能源技术因其具有能量密度高、无污染、无噪音等优点，已成为国际上研究的热点。金属空气电池燃料供应丰富、储存寿命长、携带方便、氧电极可采用非贵金属氧还原催化剂；而碱性阴离子交换膜燃料电池，与质子交换膜燃料电池相比，不存在因燃料渗透而导致电极电位下降的问题，同时也可采用非Pt氧还原催化剂。
由于银在碱性介质中具有较高活性和稳定性以及优异的抗甲醇渗透能力等优势，引起了研究人员的广泛关注。在碱性燃料电池领域已有商品Ag/C电催化剂，但其氧还原(ORR)过电位比Pt/C高100～150mV(J.Electrochem.Soc.152(2005)D117)。文献(Electrochem.Commun.31(2013)108)将Ag与Co3O4复合提高了其ORR活性；唐等人(Appl.Catal.B:Environ.104(2011)337)采用一步法制备的Ag/Mn3O4/C电催化剂将其与Pt/C过电位差距缩小到了31mV，说明银与一些锰、钴等氧化物复合能够提高其ORR活性。Linic等人(Nature Chem.6(2014)828)通过量子化学计算证明AgCo形成合金能提高ORR活性，并且制备了表面是合金的AgCo电催化剂，较银的ORR活性有较大提高，但其ORR活性与Pt/C催化剂相比仍有一定的差距。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，发明了一种Ag/CuO/C电催化剂其制备方法。
为实现上述发明内容，本发明采用以下技术方案来实现：
所述催化剂为碳担载型催化剂或非担载型催化剂；所述催化剂中Ag和CuO相互接触紧密；所述Ag/CuO/C催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量为2.66％～57.58％，Cu：Ag摩尔比1：1，C占整个催化剂的质量含量为0％～95.38％。
所述Ag/CuO/C催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量较优为5.35％～51.60％。
所述Ag/CuO/C催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量最优为16.3％～39.79％。
所述Ag/CuO/C催化剂的制备方法包括以下制备步骤，
(1)将AgCuO2或Ag2Cu2O3中的一种或两种分散于溶剂中，然后向其中加入碳载体并使其混合均匀，在分散好的浆液中加入粘结剂，得催化剂前体浆液；
(2)将步骤(1)所得催化剂前体浆液滴涂到电极上；
(3)对步骤(2)所得电极进行电化学处理，得到AgCuO/C催化剂。
所述Ag/CuO/C催化剂的制备方法中步骤(1)中所述溶剂为水、无水乙醇、异丙醇、乙二醇等溶剂中的一种或两种以上的混合物；步骤(1)中所述碳载体为Vulcan XC-72R、Black Pearls-2000、乙炔黑、碳纳米管、活性炭等中的一种或两种以上的混合物；步骤(1)中所述粘结剂为Nafion、PTFE、PVDF等的一种或两种以上的混合物。
步骤(2)中所述电极为导电玻璃、玻炭电极、石墨电极、泡沫镍、碳纸、碳布中的一种。
步骤(3)中所述电化学处理过程为以滴涂好催化剂前体浆液的电极为工作电极，以铂、石墨棒、银、金中的一种为对电极，银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞为参比电极；所述电化学处理过程为循环伏安扫描或者恒电位扫描。
所述循环伏安扫描的电位应包含-0.3V～0.7V(相对于可逆氢电极电位)中任意一段电位范围，所述恒电位扫描选取的电位应位于-0.3V～0.7V(相对于可逆氢电极电位)之间。
与现有技术相比，本发明所述新型Ag/CuO/C催化剂具有以下优点：该催化剂的制备过程无有毒物质参与，安全无污染、有利于环境保护；该催化剂应用范围广，可用作金属空气燃料电池氧还原催化剂、碱性阴离子交换膜燃料电池氧还原催化剂、以及其他碱性条件下氧还原催化剂。
附图说明：
图1为本专利制备催化剂的前体，即AgCuO2和Ag2Cu2O3的XRD谱图。
图2 a、b分别为根据实施例1和实施例2制备的Ag/CuO/C催化剂的XRD图
图3为根据比较例1-3、实施例1和实施例2制备的Ag/CuO/C催化剂在氧气饱和的0.1M NaOH电解液中转速为1600转每分钟的条件下的ORR极化曲线。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做详细的描述。当然本发明并不仅限于这些具体的实施例。
比较例1：将43.5mg AgNO3和70.3mg Vulcan XC72R炭黑超声分散于75mL高纯水中，剧烈搅拌4h,之后65℃旋蒸干。将蒸干得到的黑色粉末在管式炉中H2保护下，200℃热处理2h，便得到Ag载量为28.3％的Ag/C催化剂。
比较例2：将61.8mg Cu(NO3)2和77.6mg Vulcan XC72R炭黑超声分散于75mL高纯水中，剧烈搅拌4h,之后65℃旋蒸干。将蒸干得到的黑色粉末在管式炉中N2保护下，200℃热处理2h，便得CuO载量为20.7％的CuO/C催化剂。
比较例3：将43.5mg AgNO3、61.8mg Cu(NO3)2和50mg Vulcan XC72R炭黑超声分散于75mL高纯水中，剧烈搅拌4h,之后65℃旋蒸干。将蒸干得到的黑色粉末在管式炉中H2保护下，200℃热处理2h，便得到Ag载量为28.3％，CuO载量为20.7％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例1：将5mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入5mg的VulcanXC-72R超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到玻炭电极上，对其在0.12V～1.2V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为27.62％，CuO载量为20.35％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例2：将5mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入5mg的VulcanXC-72R超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到玻炭电极上，对其在0.12V～1.2V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为28.19％，CuO载量为20.74％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例3：将0.5mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入9.5mg的BlackPearls-2000超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的PTFE溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到导电玻璃上，对其在-0.3V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为2.66％，CuO载量为1.96％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例4：将0.5mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入9.5mg的Black Pearls-2000超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的PTFE溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到导电玻璃上，对其在0.7V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为2.77％，CuO载量为2.03％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例5：将1mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入9mg的乙炔黑超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的PVDF溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到石墨电极上，对其在0V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为5.35％，CuO载量为3.94％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例6：将1mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入9mg的乙炔黑超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的PVDF溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到石墨电极上，对其在0.3V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为5.54％，CuO载量为4.09％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例7：将3mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入7mg的碳纳米管超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到泡沫镍上，对其在0V～0.9V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为16.30％，CuO载量为12.01％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例8：将3mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入7mg的碳纳米管超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到碳纸上，对其在0.2V～0.6V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为16.77％，CuO载量为12.36％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例9：将7mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入3mg的活性炭超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到碳布上，对其在-0.4V～0.9V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为39.30％，CuO载量为28.96％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例10：将7mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入3mg的活性炭超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到玻炭电极上，对其在-0.5V～0.5V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为39.79％，CuO载量为29.32％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例11：将9mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入1mg的VulcanXC-72R超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到泡沫镍上，对其在-0.3V～0.7V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为51.38％，CuO载量为37.86％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例12：将9mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后向其中加入1mg的活性炭超声分散均匀，最后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到碳纸上，对其在-0.1V～1.0V(相对于可逆氢电极电位)进行循环伏安扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为51.60％，CuO载量为38.02％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例13：将10mg的AgCuO2超声分散于6mL乙醇中，然后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到碳布上，对其在0.4V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为57.58％，CuO载量为42.43％的Ag/CuO/C催化剂。
实施例14：将10mg的Ag2Cu2O3超声分散于6mL乙醇中，然后加入20μL 5wt.％的nafion溶液，分散均匀后便得到催化剂前体浆液。将该催化剂浆液滴涂到碳纸上，对其在0.1V(相对于可逆氢电极电位)进行恒电位扫描，直至其扫描曲线稳定，得到Ag载量为57.57％，CuO载量为42.43％的Ag/CuO/C催化剂。
图1为本专利制备催化剂的前体，即AgCuO2和Ag2Cu2O3的XRD谱图，由图可知其物相很纯。图2a、b分别为根据实施例1和实施例2制备的Ag/CuO/C催化剂的XRD图，由图可知，这两种催化剂所含物相均为Ag、CuO还有碳载体。图3为根据比较例1-3、实施例1和实施例2制备的Ag/CuO/C催化剂在氧气饱和的0.1M NaOH电解液中转速为1600转每分钟的条件下的ORR极化曲线。由图分析可知Ag/CuO/C催化剂的活性均较比较例1-3中制备的Ag/C、CuO/C及Ag-CuO/C催化剂的活性高，说明Ag/CuO/C由于采用一种快速的电化学方法制备，催化剂中Ag和CuO接触紧密，两者之间存在协同作用，而物理混合制备的Ag-CuO/C催化剂则由于接触面积小，协同作用不显著。

Claims (9)

1.一种Ag-CuO/C催化剂，其特征在于：所述催化剂为碳担载型催化剂或非担载型催化剂Ag-CuO；所述催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量为2.66％～57.58％，催化剂中Cu：Ag摩尔比1：1，C占整个催化剂的质量含量为0％～95.38％。
2.如权利要求1所述Ag-CuO/C催化剂，其特征在于：所述催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量较优为5.35％～51.60％。
3.如权利要求2所述Ag-CuO/C催化剂，其特征在于：所述催化剂中Ag占整个催化剂的质量含量最优为16.3％～39.79％。
4.一种权利要求1-3任一所述Ag-CuO/C催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤，
(1)将AgCuO2和/或Ag2Cu2O3分散于溶剂中，然后向其中不加入或加入碳载体并使其混合均匀，在分散好的浆液中加入粘结剂，得催化剂前体浆液；
(2)将步骤(1)所得催化剂前体浆液涂覆到电极上；
(3)对步骤(2)所得电极进行电化学处理，得到Ag-CuO/C催化剂。
5.如权利要求4所述Ag-CuO/C催化剂的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述溶剂为水、无水乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或两种以上的混合物；步骤(1)中所述碳载体为Vulcan XC-72R、Black Pearls-2000、乙炔黑、碳纳米管、活性炭中一种或两种以上的混合物；步骤(1)中所述粘结剂为Nafion、PTFE、PVDF中一种或两种以上的混合物。
6.如权利要求4所述Ag/CuO/C催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述电极为导电玻璃、玻炭电极、石墨电极、泡沫镍、碳纸、碳布中的一种。
7.如权利要求4所述Ag/CuO/C催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述电化学处理过程为以涂覆好催化剂前体浆液的电极为工作电极，以铂、石墨棒、银、金中的一种为对电极，银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞为参比电极；所述电化学处理过程为循环伏安扫描或者恒电位扫描。
8.如权利要求7所述Ag/CuO/C催化剂的制备方法，其特征在于：所述循环伏安扫描的电位相对于可逆氢电极电位为-0.3V～0.7V中任意一段电位，所述恒电位扫描的电位相对于可逆氢电极电位为-0.3V～0.7V。
9.一种如权利要求1-3任一所述Ag-CuO/C催化剂的应用，其特征在于：所述催化剂为碱性条件下氧还原电催化剂。
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