CN108539237B - 银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及制备方法 - Google Patents

银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及制备方法，涉及Nafion复合膜。Nafion复合膜设有Nafion膜和银/铂双金属纳米催化剂，催化剂负载于Nafion膜上，催化剂直接生长在Nafion膜上。将Nafion膜浸泡于钠盐溶液中，得表面接有Na离子的Nafion‑Na+型膜；将Nafion‑Na+型膜浸泡于银盐溶液中，得表面接有Ag离子的Nafion‑Ag+型膜；将Nafion‑Ag+型膜浸入表面活性剂和还原剂的混合液中，混合液加热，加入反应引发剂反应，得表面生长Ag纳米颗粒的Nafion‑Ag型膜；Nafion‑Ag型膜浸泡于铂盐溶液中，得银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。

Description

银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及制备方法
技术领域
本发明涉及Nafion复合膜，尤其是涉及银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转变成为电能的能量转化装置。由于其具有能量转化率高、运行时的污染物少、噪音微弱等优点，被认为是新能源汽车动力的发展方向之一。然而，燃料电池的关键部件之一膜电极组件(membrane electrodeassembly,MEA)的造价十分昂贵，并且存在着输出功率不高、稳定性差等缺点，很大程度上阻碍了燃料电池的大规模应用。
MEA的造价之所以高昂，是因为其中使用了催化燃料电池电极反应的贵金属铂催化剂，而现今的铂催化剂对燃料电池阴极发生的氧气还原反应的催化活性不强，需要在MEA中大量使用铂催化剂才能保证MEA的输出功率满足实际应用的需求，这大大提高了MEA的成本。
这一问题的解决思路有两类，一类是改良铂催化剂，在降低铂金属用量的同时提高铂金属的本征催化活性，如M.Markovic发表在Science上的论文(Science,2007,315:493-497)报道了电催化活性远高于Pt单晶材料的Pt3Ni合金材料；Tao等人发表的Journalof Power Sources论文(Journal of Power Sources,2017,365:17-25)报道了氧还原催化活性高于商业化Pt/C催化剂的Ag/Pt双金属催化剂。另一类是改良MEA的制备工艺，让MEA中的催化层结构更适于催化气体的反应。如将金属催化剂直接沉积在Nafion膜上的真空溅射法、化学沉积法和电化学沉积法等。Srinivasan等人曾报道过在质子交换膜上喷涂了Pt颗粒后制成的MEA的载量远低于传统方法制备的MEA，且MEA的催化层微观结构得到改善，具有一定的输出功率(Electrochim.Acta,1997,42:1587-1593)。可见这个方法具有一定的作用和实际应用上的潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的上述技术问题，提供银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜及其制备方法。
所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜设有Nafion膜和银/铂双金属纳米催化剂，所述银/铂双金属纳米催化剂负载于Nafion膜上，所述银/铂双金属纳米催化剂的尺寸可为4～300nm，Pt负载量可调控，Nafion膜的厚度可为25～200μm。所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜以银/铂双金属材料为催化剂，降低了铂在催化剂中的用量，成本比使用纯铂的材料更低；并且银/铂双金属纳米催化剂直接生长在Nafion膜上，与Nafion膜紧密结合，更有利于质子在催化剂和Nafion膜之间的传导，另外，银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜可以直接与碳纸热压制成MEA，大大降低了MEA的制备难度，可以降低MEA的制作成本。该制备方法操作简单，可重复性高；所制备的复合膜具有低成本、较高的电催化活性和催化稳定性，可应用于燃料电池等能源领域。
所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜的制备方法包括以下步骤：
1)将Nafion膜浸泡于钠盐溶液中，得表面接有Na离子的Nafion-Na+型膜；
2)将Nafion-Na+型膜浸泡于银盐溶液中，得表面接有Ag离子的Nafion-Ag+型膜；
3)将Nafion-Ag+型膜浸入表面活性剂和还原剂的混合液中，将混合液加热，再加入反应引发剂反应，得表面生长Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜；
4)将Nafion-Ag型膜浸泡于铂盐溶液中，得银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，即表面生长Ag/Pt双金属纳米催化剂的Nafion-Ag/Pt型膜。
在步骤1)中，所述Nafion膜的厚度可为25～200μm，所述钠盐溶液所用的钠盐可选自硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、氯化钠等中的一种；所述钠盐的质量浓度可为0.000～1.000M；钠盐溶液的温度可为0～100℃；所述浸泡的时间可为0～48h。
在步骤2)中，所述银盐溶液所用的银盐可选自碳酸银、硝酸银、硫酸银等中的一种；所述银盐的质量浓度可为0.001～1.000M；所述银盐溶液的温度可为0～100℃；所述浸泡时间可为1～48h。
在步骤3)中，所述混合液中的表面活性剂可选自油酸、聚乙烯吡咯烷酮、葡萄糖、聚乙二醇等中的一种；混合液中表面活性剂的质量浓度可为0.000～5.000M；所述混合液中的还原剂可选自抗坏血酸、柠檬酸钠、亚硫酸钠、次磷酸钠等中的一种；混合液中还原剂的质量浓度可为0.001～1.000M；所述混合液需加热至15～100℃；所述反应引发剂可选自次亚磷酸钠、氢化铝锂、硼氢化钠等中的一种；反应引发剂的添加量为添加后在混合液中质量浓度在0.001～0.100M；反应的时间可为1～48h。
在步骤4)中，所述铂盐溶液所用的铂盐可选自氯铂酸、六氯合铂酸钾、四氯合铂酸钾、硝酸铂等中的一种；所述铂盐质量浓度可为0.001～1.000M；铂盐溶液的温度可为0～100℃；浸泡的时间可为1～48h。
本发明由Nafion膜和均匀生长于Nafion膜上的银/铂双金属纳米催化剂组成，金属催化剂与Nafion膜的结合十分牢固。其中银/铂纳米催化剂的尺寸为4～300nm，Pt负载量可调控，Nafion膜的厚度为25～200μm。所述制备方法操作简单，可重复性高；所制备的复合膜具有低成本、较高的电催化活性和催化稳定性，可应用于燃料电池等能源领域。
附图说明
图1为实施例1低金属载量的Nafion复合膜的照片。
图2为实施例1低金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片。
图3为实施例2中金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片。
图4为实施例3高金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片。
图5为实施例4低金属载量的Nafion复合膜的断面的扫描电镜照片与元素分布扫描。
图6为实施例5中金属载量的Nafion复合膜的断面的扫描电镜照片与元素分布扫描。
具体实施方式
上述提供的一种银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜的制备方法及其制备方法，下面结合附图通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将厚度为25μm的Nafion膜浸泡于0℃下的0.000M碳酸钠溶液中持续0h，然后取出浸入0℃下的0.001M硫酸银溶液中持续1h，接着浸泡于0.000M油酸和0.001M次磷酸钠的混合液中，将混合液加热至15℃后加入0.001M的氢化铝锂，反应1h后获得表面生长了Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜，将其浸泡在0.001M的六氯合铂酸钾溶液中持续1h，即可得到低铂载量的银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。低金属载量的Nafion复合膜的照片参见图1，低金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片参见图2。
实施例2
将厚度为50μm的Nafion膜浸泡于25℃下的0.001M硫酸钠溶液中持续5h，然后取出浸入25℃下的0.002M碳酸银溶液中持续10h，接着浸泡于0.001M葡萄糖和0.002M抗坏血酸的混合液中，将混合液加热至25℃后加入0.002M的次亚磷酸钠，反应5h后获得表面生长了Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜，将其浸泡在0.002M的氯铂酸溶液中持续10h，即可得到中铂载量的银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片参见图3。
实施例3
将厚度为75μm的Nafion膜浸泡于100℃下的1.000M硝酸钠溶液中持续48h，然后取出浸入100℃下的1.000M硝酸银溶液中持续48h，接着浸泡于5.000M聚乙二醇和1.000M亚硫酸钠的混合液中，将混合液加热至100℃后加入0.100M的硼氢化钠，反应48h后获得表面生长了Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜，将其浸泡在1.000M的硝酸铂溶液中持续48h，即可得到高铂载量的银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。高金属载量的Nafion复合膜的扫描电镜照片参见图4。
实施例4
将厚度为200μm的Nafion膜浸泡于5℃下的0.010M氯化钠溶液中持续30h，然后取出浸入5℃下的0.500M硝酸银溶液中持续40h，接着浸泡于3.000M聚乙烯吡咯烷酮和0.800M柠檬酸钠的混合液中，将混合液加热至80℃后加入0.080M的次亚磷酸钠，反应35h后获得表面生长了Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜，将其浸泡在0.700M的四氯合铂酸钾溶液中持续18h，即可得到低铂载量的银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。效果同实施例1。低金属载量的Nafion复合膜的断面的扫描电镜照片与元素分布扫描参见图5。
实施例5
将厚度为100μm的Nafion膜浸泡于85℃下的0.100M硝酸钠溶液中持续10h，然后取出浸入65℃下的0.900M硫酸银溶液中持续8h，接着浸泡于2.500M油酸和0.400M抗坏血酸的混合液中，将混合液加热至30℃后加入0.030M的硼氢化钠，反应45h后获得表面生长了Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜，将其浸泡在0.900M的四氯合铂酸钾溶液中持续7h，即可得到中铂载量的银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜。效果同实施例2。金属载量的Nafion复合膜的断面的扫描电镜照片与元素分布扫描参见图6。

Claims (8)

1.银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于设有Nafion膜和银/铂双金属纳米催化剂，所述银/铂双金属纳米催化剂负载于Nafion膜上，Pt负载量可调控，所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜以银/铂双金属材料为催化剂，银/铂双金属纳米催化剂直接生长在Nafion膜上；所述银/铂双金属纳米催化剂的尺寸为4～300nm；
所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将Nafion膜浸泡于钠盐溶液中，得表面接有Na离子的Nafion-Na+型膜；
2)将Nafion-Na+型膜浸泡于银盐溶液中，得表面接有Ag离子的Nafion-Ag+型膜；
3)将Nafion-Ag+型膜浸入表面活性剂和还原剂的混合液中，将混合液加热，再加入反应引发剂反应，得表面生长Ag纳米颗粒的Nafion-Ag型膜；
4)将Nafion-Ag型膜浸泡于铂盐溶液中，得银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，即表面生长Ag/Pt双金属纳米催化剂的Nafion-Ag/Pt型膜。
2.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于所述Nafion膜的厚度为25～200μm。
3.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤1)中，所述钠盐溶液所用的钠盐选自硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、氯化钠中的一种；所述钠盐的质量浓度为0.000～1.000M；钠盐溶液的温度为0～100℃；所述浸泡的时间为0～48h。
4.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤2)中，所述银盐溶液所用的银盐选自碳酸银、硝酸银、硫酸银中的一种；所述银盐的质量浓度为0.001～1.000M；所述银盐溶液的温度为0～100℃；所述浸泡时间为1～48h。
5.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤3)中，所述混合液中的表面活性剂选自油酸、聚乙烯吡咯烷酮、葡萄糖、聚乙二醇中的一种；混合液中表面活性剂的质量浓度为0.000～5.000M。
6.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤3)中，所述混合液中的还原剂选自抗坏血酸、柠檬酸钠、亚硫酸钠、次磷酸钠中的一种；混合液中还原剂的质量浓度为0.001～1.000M；所述混合液需加热至15～100℃。
7.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤3)中，所述反应引发剂选自次亚磷酸钠、氢化铝锂、硼氢化钠中的一种；反应引发剂的添加量为添加后在混合液中质量浓度在0.001～0.100M；反应的时间为1～48h。
8.如权利要求1所述银/铂纳米催化剂修饰的Nafion复合膜，其特征在于在步骤4)中，所述铂盐溶液所用的铂盐选自氯铂酸、六氯合铂酸钾、四氯合铂酸钾、硝酸铂中的一种；所述铂盐质量浓度为0.001～1.000M；铂盐溶液的温度为0～100℃；浸泡的时间为1～48h。
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