CN108878912A - 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用 - Google Patents

一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN108878912A
CN108878912A CN201810677121.8A CN201810677121A CN108878912A CN 108878912 A CN108878912 A CN 108878912A CN 201810677121 A CN201810677121 A CN 201810677121A CN 108878912 A CN108878912 A CN 108878912A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nano wire
network
hydrogenation
carbon coating
titanium oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810677121.8A
Other languages
English (en)
Inventor
吴玉程
郭亚男
张勇
汤利梅
崔接武
王岩
舒霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN201810677121.8A priority Critical patent/CN108878912A/zh
Publication of CN108878912A publication Critical patent/CN108878912A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明涉及一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，以泡沫钛为钛源和基底，先在氢氧化钠溶液中采用水热法获得网络状氧化钛前驱体，经过稀盐酸处理后，在空气中煅烧得到网络状氧化钛纳米线。然后将网络状氧化钛纳米线在氢氩气氛下进行表面改性，获得氢化的网络状氧化钛纳米线。最后将氢化的氧化钛纳米线以葡萄糖和甲烷为碳源，在氢化的氧化钛纳米线上包覆一层碳纳米薄层，从而提供了一种三维网络状纳米线催化剂载体。本发明操作简单，形貌可控，所得材料比表面积大，不仅克服了氧化钛导电性差的问题，而且增加了负载Pt的活性位点、电化学活性面积和催化剂活性。

Description

一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法 和应用
技术领域
本发明属于直接甲醇燃料电池催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用。
背景技术
直接甲醇燃料电池相较于质子交换膜燃料电池，具有低温快速启动、能量密度大、燃料洁净环保、安全性高以及电池结构简单等特性，在汽车、便携式电子产品、军事移动仪器等领域的应用潜力巨大。甲醇的氧化反应的活性取决于电极上催化剂的催化活性。虽然传统的催化剂载体-碳黑具有更多的活性位点，然而在甲醇燃料电池运行时，腐蚀严重。此外，碳基腐蚀可能导致铂和碳载体分离，然后使铂催化剂失活。钛氧化物价格较低，有较强的耐腐蚀性和电化学稳定性，并且与铂有强烈的相互作用从而增强电催化活性。氢化之后的氧化钛可以克服导电性差的缺点。通过原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料不仅可以增加甲醇氧化的电化学活性面积，而且可以提高甲醇氧化的电流密度。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用，主要解决的问题是改善目前氧化钛导电性差以及电化学活性面积低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将泡沫钛集流体依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗后放入烘箱中干燥；
(2)将氢氧化钠加入去离子水中，搅拌得到澄清透明溶液；
(3)将步骤(1)处理后的泡沫钛集流体放入反应釜内胆中，将步骤(2)中所得溶液移入水热釜中进行水热反应；
(4)将步骤(3)中所得的产物反复用去离子水冲洗后，放入稀盐酸中浸泡，之后再用去离子水冲洗后烘干；
(5)将步骤(4)中所得的产物放置在管式炉中，在空气中煅烧得到氧化钛纳米线；
(6)将步骤(5)中所得的产物放置在管式炉中，通入氩气和氢气煅烧，得到氢化的氧化钛纳米线；
(7)将步骤(6)中所得到的产物在隔绝氧气的情况下放入葡萄糖溶液中浸泡后在管式炉中进行原位加热，通入甲烷和氩气，在高温裂解下得到原位碳包覆的网络状氢化氧化钛纳米线。
优选地，步骤(1)的干燥方法为真空干燥法，干燥温度为50～70℃，真空度控制在45Pa以下。
优选地，步骤(2)得到的氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.5～1.5mol/l。
优选地，步骤(3)中水热时间为20～28h，水热温度为180～220℃。
优选地，步骤(4)中稀盐酸的浓度为5～10％。
优选地，步骤(5)中煅烧温度为400～700℃。
优选地，步骤(6)中煅烧温度为300～600℃，氢气和氩气的体积比例为5～15％，总气流量为50～150cc，升温速率为5～15℃/min，保温时间为1～3h。
优选地，步骤(7)中葡萄糖浓度为0.5～1.5mol/l；氢化的网络状氧化钛纳米线在隔绝氧气的情况下浸泡在10～20℃的葡萄糖溶液中；原位加热时加热温度为800～900℃，甲烷气和氩气的体积比例为20～50％，总气流量为70～130cc，升温速率为5～15℃/min，保温时间为1～3h。
一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料，按照上述制备方法制得。
上述原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料能够用于制备直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料。
本发明的有益效果在于：
本发明采用氢氧化钠为水热溶剂，葡萄糖为包覆碳源，成本低廉。
本发明采用水热法，通过调节氢氧化钠溶液、反应温度、反应时间来控制氧化钛形貌，操作简单，形貌可控。
本发明合成的产物具有较大的比较面积、更多负载铂的活性位点，而且克服了氧化性导电性差的缺点。提高了甲醇氧化的电化学活性面积和电流密度。
附图说明
图1是实施例1的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛的XRD图；
图2是实施例1的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛的低倍下的扫描电镜图片；
图3是实施例1的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛的高倍下的扫描电镜图片；
图4是实施例1的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛负纳米线载铂、原位碳包覆网络状氧化钛纳米线负载铂，以及商业电极Pt/C在0.5mol/L的硫酸里的循环伏安曲线的图片；
图5是实施例1的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线负载铂、原位碳包覆网络状氧化钛纳米线负载铂，以及商业电极Pt/C在0.5mol/L的硫酸和1mol/L的甲醇溶液里的循环伏安曲线的图片。
具体实施例
实施例1
首先将泡沫钛依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，在60℃真空烘干，真空度45Pa。将1.2gNaOH放入盛有30ml水的烧杯中，搅拌至充分溶解，形成1mol/LNaOH溶液。将泡沫钛放入规格为50ml聚四氟乙烯内胆中，将1mol/LNaOH溶液倒入内胆中，将内胆放入不锈钢反应釜中。整个不锈钢反应釜被放入鼓风干燥箱中在220℃保温24小时，之后冷却到室温。将所得的前驱物用去离子水冲洗3遍，将其放入8％的稀盐酸中浸泡5小时，再用去离子水冲洗3遍。将所得的前驱物置于管式炉中以10℃/min的升温速率在空气中升至600℃，再保温2h后得到网络状氧化钛纳米线。将网络状氧化钛纳米线置于管式炉中，在管式炉通入氢气和氩气，其中，氢气和氩气的体积比例为10％，总气流量为100cc，以10℃/min的升温速率升至450℃，再保温2h后得到氢化网络状氧化钛纳米线。在氩气保护气氛下将浓度为1mol/L的20℃的葡萄糖溶液注入放置氢化的网络状氧化钛纳米线的陶瓷容器中浸泡1小时，然后在管式炉中原位加热，在管式炉中通入30cc流量的甲烷和50cc流量的氩气，以10℃/min的升温速率升至800℃，保温2h，从而得到原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料。纳米线长度为1～10um，直径为50～100nm，碳层厚度为2～4nm。采用荷兰帕纳科D/max-2500型X射线衍射分析仪分析所得样品，所得结果如图1所示。采用日本日立有限公司SU8020扫描电镜观察样品，发现原位碳包覆氢化的氧化钛纳米线如图2、图3所示。将原位碳包覆氢化的氧化钛纳米线负载铂、原位碳包覆氧化钛纳米线负载铂以及商业电极Pt/C进行电化学性能测试如图4、图5。发现原位碳包覆氢化的氧化钛纳米线负载铂的电化学活性面积为53m2/g高于Pt/C的39m2/g。并原位碳包覆氢化的氧化钛纳米线负载铂在甲醇氧化中的电流密度为1.15mA/cm2是原位碳包覆氧化钛纳米线负载铂的2倍，是Pt/C的1.57倍。

Claims (10)

1.一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将泡沫钛集流体依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，清洗后放入烘箱中干燥；
(2)将氢氧化钠加入去离子水中，搅拌得到澄清透明溶液；
(3)将步骤(1)处理后的泡沫钛集流体放入反应釜内胆中，将步骤(2)中所得溶液移入水热釜中进行水热反应；
(4)将步骤(3)中所得的产物反复用去离子水冲洗后，放入稀盐酸中浸泡，之后再用去离子水冲洗后烘干；
(5)将步骤(4)中所得的产物放置在管式炉中，在空气中煅烧得到氧化钛纳米线；
(6)将步骤(5)中所得的产物放置在管式炉中，通入氩气和氢气煅烧，得到氢化的氧化钛纳米线；
(7)将步骤(6)中所得到的产物在隔绝氧气的情况下放入葡萄糖溶液中浸泡后在管式炉中进行原位加热，通入甲烷和氩气，在高温裂解下得到原位碳包覆的网络状氢化氧化钛纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)的干燥方法为真空干燥法，干燥温度为50～70℃，真空度控制在45Pa以下。
3.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)得到的氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.5～1.5mol/l。
4.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中水热时间为20～28h，水热温度为180～220℃。
5.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中稀盐酸的浓度为5～10％。
6.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中煅烧温度为400～700℃。
7.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中煅烧温度为300～600℃，氢气和氩气的体积比例为5～15％，总气流量为50～150cc，升温速率为5～15℃/min，保温时间为1～3h。
8.根据权利要求1所述的一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料的制备方法，其特征在于，步骤(7)中葡萄糖浓度为0.5～1.5mol/l；氢化的网络状氧化钛纳米线在隔绝氧气的情况下浸泡在10～20℃的葡萄糖溶液中；原位加热时加热温度为800～900℃，甲烷气和氩气的体积比例为20～50％，总气流量为70～130cc，升温速率为5～15℃/min，保温时间为1～3h。
9.一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料，其特征在于，按照权利要求1～8任意一项所述制备方法制得。
10.权利要求9所述的原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料用于制备直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料。
CN201810677121.8A 2018-06-27 2018-06-27 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用 Pending CN108878912A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810677121.8A CN108878912A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810677121.8A CN108878912A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108878912A true CN108878912A (zh) 2018-11-23

Family

ID=64296084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810677121.8A Pending CN108878912A (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108878912A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110491680A (zh) * 2019-08-11 2019-11-22 五邑大学 一种三维氮化钛纳米线材料的制备方法及应用
TWI751847B (zh) * 2020-12-19 2022-01-01 逢甲大學 多孔複合結構電極及其製備方法
CN115837271A (zh) * 2022-10-28 2023-03-24 南京工程学院 一种复合材料催化剂及其制备和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103877959A (zh) * 2014-04-04 2014-06-25 甘肃省科学院自然能源研究所 氢化二氧化钛纳米管/纳米颗粒复合光催化材料及制备方法
CN105355864A (zh) * 2015-08-24 2016-02-24 昆明理工大学 一种碳包覆二氧化钛纳米管组成的纳米片的制备方法及应用
CN105597719A (zh) * 2015-11-17 2016-05-25 山东大学 一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料及其应用
CN107978734A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 江苏今道投资发展有限公司 碳包覆氮化钛纳米管/钛网光催化电极的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103877959A (zh) * 2014-04-04 2014-06-25 甘肃省科学院自然能源研究所 氢化二氧化钛纳米管/纳米颗粒复合光催化材料及制备方法
CN105355864A (zh) * 2015-08-24 2016-02-24 昆明理工大学 一种碳包覆二氧化钛纳米管组成的纳米片的制备方法及应用
CN105597719A (zh) * 2015-11-17 2016-05-25 山东大学 一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料及其应用
CN107978734A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 江苏今道投资发展有限公司 碳包覆氮化钛纳米管/钛网光催化电极的制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110491680A (zh) * 2019-08-11 2019-11-22 五邑大学 一种三维氮化钛纳米线材料的制备方法及应用
CN110491680B (zh) * 2019-08-11 2021-07-27 五邑大学 一种三维氮化钛纳米线材料的制备方法及应用
TWI751847B (zh) * 2020-12-19 2022-01-01 逢甲大學 多孔複合結構電極及其製備方法
CN115837271A (zh) * 2022-10-28 2023-03-24 南京工程学院 一种复合材料催化剂及其制备和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kang et al. Developing titanium micro/nano porous layers on planar thin/tunable LGDLs for high-efficiency hydrogen production
Kang et al. Thin film surface modifications of thin/tunable liquid/gas diffusion layers for high-efficiency proton exchange membrane electrolyzer cells
CN108736031A (zh) 一种自支撑PtCo合金纳米颗粒催化剂及其制备方法与应用
CN108963282A (zh) 一种溶剂热法还原的燃料电池碳载铂基催化剂及其制备方法与应用
CN100588018C (zh) 一种间接电沉积制备碳载超低铂催化电极的方法
CN107858701A (zh) 一种用于固态聚合物水电解器的钛基析氢电极及其制备方法
CN106887620B (zh) 钴氮掺杂碳纳米棒催化剂及其制备方法与应用
CN108878912A (zh) 一种原位碳包覆氢化的网络状氧化钛纳米线材料及制备方法和应用
CN100464841C (zh) 一种基于纳米碳纤维的贵金属电催化剂及其制备方法
CN105734606A (zh) 一种spe水电解用超薄膜电极的结构及其制备和应用
CN109289874A (zh) 一种钴掺杂二硫化锡纳米片阵列材料及其制备方法和应用
Mo et al. Experimental studies on the effects of sheet resistance and wettability of catalyst layer on electro-catalytic activities for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane electrolysis cells
CN108899554A (zh) 包覆型Fe/Co氮掺杂碳纳米纤维网络结构催化剂及其制备方法和用途
CN112201798B (zh) 金属催化剂及其大批量制备方法和燃料电池
CN112054215A (zh) 一种基于全钒氧化还原液流电池用复合电极及其制备方法
CN109718824A (zh) 一种氮掺杂CoMoO4纳米球的制备方法及电催化应用
Habibi et al. Electrooxidation of formic acid and formaldehyde on the Fe3O4@ Pt core-shell nanoparticles/carbon-ceramic electrode
CN104084193A (zh) 一种Pt催化剂的制备方法
CN109273728A (zh) 一种脉冲电沉积制备纳米铂/钴二氧化钛纳米管复合电极的方法
CN107910560A (zh) 纳米碳基氮掺杂非贵金属复合电催化材料及其采用高温退火的制备方法与应用
Cheng et al. Dynamic hydrogen bubble template electrodeposited Bi on graphite felt and the effect of its post-processing in vanadium redox flow batteries
CN106025315B (zh) 一种改性lscm电极及其制备方法
Xu et al. Platinum activated IrO2/SnO2 nanocatalysts and their electrode structures for high performance proton exchange membrane water electrolysis
CN116099566A (zh) 铂掺杂改性钴基催化剂的制备方法
CN105702977A (zh) 一种氢溴储能电池用溴电极及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181123