CN107732258A - 一种纳米片状Pt/炭化木屑材料及其制备方法 - Google Patents

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张春勇
程庆霖
贺沁婷
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Abstract

本发明公开一种纳米片状Pt/炭化木屑材料及制备方法，该制备方法先将木屑进行炭化处理，然后利用电沉积的方法对炭化后的木屑进行Pt的负载。本发明方法的Pt纳米粒子具有纳米片状结构，从而具有大的比表面积，能大幅度提高催化剂对甲酸的电催化氧化活性，并且其稳定性好，制备方法简单，反应时间短，可控性强。与现有技术相比，本发明的催化剂载体为炭化木屑，木屑来源广泛，经济环保，是一种可循环的绿色资源，因此，以炭化木屑为基底进行Pt的负载具有经济可行性。

Description

一种纳米片状Pt/炭化木屑材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及的是一种用于燃料电池的纳米片状Pt/炭化木屑材料及其制备方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济发展的命脉。近年来，由于化石燃料资源短缺并且其使用引起的环境污染日趋严重，引起气候异常。因此，世界各国对新能源的研究越来越重视。燃料电池是一种将燃料和氧气的化学能通过电极反应转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染小、燃料多样化、噪音低、可靠性高及便于维护等优点，是公认的高效、清洁的发电技术。
直接甲酸燃料电池是以液态甲酸代替氢气作为可燃源的燃料电池，相较于直接甲醇燃料电池具有能量密度高、膜透率高、高电动势、催化剂不易中毒、可以在低温下工作等优点，在过去的十几年中一直备受关注。但甲酸燃料电池仍旧存在一些缺点，如：甲酸理论体积能量密度较低(约为2104W·h/L，不到甲醇4812W·h/L的一半)，液态甲酸易挥发产生有毒刺激性气体，高浓度的甲酸有较强的腐蚀性。这些缺点的存在限制了甲酸的利用。目前主要通过使用较高浓度的甲酸、增强电池的密闭性能、对电池材料表面进行特殊处理等方法来减小以上缺点对电池性能的影响，但并不能根本性解决其问题。
近年来对直接甲酸燃料电池阳极材料的研究主要集中在提高催化剂阳极氧化的活性方面。常用催化剂有Pd基催化剂和Pt催化剂，但在电氧化甲酸时，单纯的Pd电极会缓慢溶解，而且生成的CO会毒化，降低催化剂持久性，造成Pd的利用率较低，同时，造成电池成本上升。目前有多重针对提高Pd基催化剂的耐久性报道，通过修饰载体或复合载体等方法，提高其耐久性，但效果均不理想。Pt催化剂是目前燃料电池最好的催化剂之一，耐腐蚀性较好，但其催化活性和稳定性较差，且高昂的成本也限制了其商业化应用。因此，开发低成本，高性能的催化剂材料是当前燃料电池技术研究的热点之一。
发明内容
针对现有技术中催化剂活性低、生产成本高、工艺复杂等技术问题，本发明提供了一种纳米片状Pt/炭化木屑材料及其制备方法，所制得的Pt/炭化木屑复合材料稳定性好、催化活性高，且工艺简单，操作方便，经济绿色，容易实现工业化。
为实现上述目的，实现本发明所采用的技术方案是：一种纳米片状Pt/炭化木屑材料的制备方法，包括以下步骤，a)、将木屑高温炭化；b)、采用三电极体系，通过循环伏安法将Pt沉积在炭化木屑载体上，得到Pt/炭化木屑。
所述步骤a)中高温炭化条件是，在氮气的保护下，将木屑以0.5～3℃/min的速率升温直至850℃，并保温2～4h，冷却至室温取出。
所述步骤b)中的三电极体系，是以饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，炭化后的木屑作为工作电极。分别以H2SO4/H2PtCl6、HCOOH/H2PtCl6、CH3COOH/H2PtCl6的混合溶液作为电解液进行Pt的负载。
其中，采用循环伏安法进行Pt电沉积，电沉积参数为：扫描低电压范围-1～0V，扫描高电压范围0.3～1.4V，扫描周期为20～500次。
优选的，在步骤a)中，在氮气的保护下，可以是将木屑放入后，先持续向设备中以0.05～10m3/h的流量通氮气30～60min以置换空气，再进行高温炭化。
可优选的，先对部分晒干后木屑用去离子水超声5～20min，再用去离子水洗涤，烘干后，再进行高温炭化，以除去其中的氧。
本发明还提供了通过上述方法制备得到的Pt/炭化木屑材料。所得材料具有纳米片状结构。
与现有技术相比，本发明具有积极的效果：
(1)本发明所得材料具有明显的纳米片状结构，Pt均匀的负载在炭化木屑上，分散性好，增大了其比表面积，其电催化活性明显增强。
(2)本发明的Pt/炭化木屑材料相较于炭化木屑而言具有更高的电子传递速率以及灵敏性，催化活性高，且稳定性好。
(3)本发明将贵金属Pt负载到炭化木屑上，大大提高了催化活性以及稳定性，且载体木屑本身具有一定的催化活性，同时其来源广泛、经济环保，是一种很有价值的再生资源，从而大大降低了生产成本。
(4)本发明所制备的Pt/炭化木屑复合材料，工艺简单，操作方便，且绿色经济，容易实现工业化。
附图说明
图1为本发明制备的Pt/炭化木屑的SEM图谱。
图2为本发明制备的Pt/炭化木屑的XRD衍射图谱。
图3为本发明制备的Pt/炭化木屑电极测定硫酸与甲酸混合溶液的循环伏安图谱。
具体实施方式
下文将结合附图和具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
为了使数据具有一定的对比性，因此在相同的条件下对不同酸性介质镀Pt后的炭化木屑在同一电解质中进行循环伏安测试，测试条件统一为：
电解液：0.5mol/L H2SO4和0.5mol/L HCOOH的混合溶液。
电位扫描速度＝10mV/s 电解液温度：20℃。
(实施例1)
截取部分晒干后木屑，用去离子水超声5min，再用去离子水洗涤一次，然后烘干。在氮气的保护下，将木屑放置于钢玉舟中，持续向气氛管式炉中以0.05m3/h的流量通氮气30min以置换空气，然后以0.5℃/min的速率升温直至850℃并保温2h，冷却至室温取出。
以饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，炭化后的木屑作为工作电极，以0.5mol/L H2SO4和0.005mol/L H2PtCl6的混合溶液作为电解液，采用循环伏安法进行Pt的负载，得到Pt/炭化木屑材料。循环伏安电沉积参数：扫描低电压范围-0.4V，扫描高电压范围1.4V，扫描周期为500次。
如图1中所得Pt/炭化木屑的SEM图谱显示，纳米片状Pt均匀的负载在炭化木屑的表面。
如图2中Pt/炭化木屑的XRD衍射图谱显示，本实施例制备的Pt/炭化木屑的主要衍射峰是C、Pt。其中，在2θ为25.9°±0.2位置出峰属于C的(002)面；在在2θ为39.703°±0.2、46.139°±0.2、67.474°±0.2和81.255°±0.2位置出峰，分别对应于Pt的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。
如图3中，以Pt/炭化木屑为工作电极测定硫酸与甲酸混合溶液的循环伏安图谱显示，本实施例制备的Pt/炭化木屑电极的氧化还原峰电位分别为1140mV和600mV，峰电位差为540mV。其循环伏安图谱有着明显的氧化还原峰，电子传递阻力小、速率快，其电化学活性显著增强。
(实施例2)
参考实施例1中的方法处理木屑，在氮气的保护下，将木屑放置于钢玉舟中，持续向气氛管式炉中以5m3/h的流量通氮气45min以置换空气，以1.5℃/min的速率升温直至850℃并保温3h，冷却至室温取出。以饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，炭化后的木屑作为工作电极，以0.5mol/L HCOOH和0.005mol/L H2PtCl6的混合溶液作为电解液，采用循环伏安法进行Pt的负载，循环伏安电沉积参数：扫描低电压范围-0.4V，扫描高电压范围1.4V，扫描周期为200次。
(实施例3)
参考实施例1中的方法处理木屑后，在氮气的保护下，将木屑放置于钢玉舟中，持续向气氛管式炉中以10m3/h的流量通氮气60min以置换空气，以3℃/min的速率升温直至850℃并保温4h，冷却至室温取出。以饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，炭化后的木屑作为工作电极，以0.5mol/L CH3COOH和0.005mol/L H2PtCl6的混合溶液作为电解液，采用循环伏安法进行Pt的负载，循环伏安电沉积参数：扫描低电压范围-0.4V，扫描高电压范围1.4V，扫描周期为20次。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种纳米片状Pt/炭化木屑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)、将木屑高温炭化；
b)、采用三电极体系，通过循环伏安法将Pt沉积在炭化木屑载体上，得到Pt/炭化木屑材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中高温炭化条件是，在氮气的保护下，将木屑以0.5～3℃/min的速率升温直至850℃，并保温2～4h，冷却至室温取出。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中的三电极体系是以饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，炭化后的木屑作为工作电极。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，采用的电解液选自H2SO4、HCOOH或CH3COOH中任意一种与H2PtCl6的混合溶液。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述电解液H2SO4、HCOOH或CH3COOH的浓度为0.5mol/L，所述H2PtCl6的浓度为0.005mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中的电沉积参数为：扫描低电压范围-1～0V，扫描高电压范围0.3～1.4V，扫描周期为20～500次。
7.根据权利要求1-5任一所述的制备方法，其特征在于，所制备的Pt/炭化木屑材料具有纳米片状结构。
8.一种根据上述任一项所述的制备方法制备得到的纳米片状Pt/炭化木屑材料。
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