CN110783580A - 一种碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法，是以可溶性镍盐为氧化剂和镍源，柠檬酸为燃料和碳源，将可溶性镍盐和柠檬酸溶解在水中，在惰性气体保护下升温至300～800℃进行焙烧，溶液燃烧法一步制备Ni/C催化剂。上述方法制备的催化剂是将活性组分以金属镍和氧化镍的形式负载在无定型碳材料上构成，可以作为甲醇或尿素电化学氧化反应的镍基碳材料催化剂，用于碱性体系下甲醇或尿素的电化学氧化反应，具有优良的电化学反应活性。

Description

一种碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池阳极催化剂的制备方法，特别是涉及一种碱性体系下的燃料电池非贵金属基碳材料阳极催化剂的制备方法。本发明方法制备的催化剂可用于甲醇和尿素的电化学氧化催化。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料（氢、甲醇等）的化学能转变成电能的能量转换装置。由于化学燃料不需要燃烧，因此燃料电池具有比内燃机更高的效率，是最有发展前景的清洁能源利用技术之一。氢、甲醇、甲酸、尿素、肼等都可以作为燃料电池的燃料使用。
直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cells，DMFC）是燃料电池的一种，其以甲醇作为燃料，具有能量转化率高、能量密度高、启动快等优点，是最具产业化前景的燃料电池之一。然而，催化剂的活性低及成本过高阻碍了DMFC的大规模商业化应用。
目前，贵金属铂仍然是DMFC阳极发生的甲醇电化学氧化（Methanol OxidationReaction，MOR）过程应用最广的催化剂。但是，MOR反应中间产物CO易导致金属铂失活，且铂属于贵金属，其高昂的价格和稀有性极大的限制了其在DMFC中的应用。科研人员通过在金属铂中引入其他贵金属（Ru、Rh、Pd、Au、Ag等）来替代部分铂制备合金催化剂，以提高催化剂的活性和抗CO中毒性能。但是使用的这些贵金属成本依然较高，限制了DMFC的工业化应用和生产。
随着OH－离子交换膜的诞生和发展，碱性体系下高性能DMFC催化剂的研究成为一个热点，并且碱性体系下的催化剂选择更为广泛，可以使用非贵金属材料作为催化剂，从而极大的降低了甲醇燃料电池的成本。
直接以尿素或尿液为燃料的燃料电池概念已经提出设想多年。2010年，研究人员开发了可操作的以尿素或尿液为燃料的直接尿素/尿液燃料电池（Direct Urea/UrineFuel Cells，DUFCs）（Rong Lan et al., Energy Environ. Sci., 2010, 3: 438-441）。此后，研究人员尝试开发高效的尿素电化学氧化（Urea Oxidation Reaction，UOR）催化剂，并且发现镍基催化剂在碱性条件下对尿素具有较优的电化学氧化反应活性。
为了提高导电性和镍活性组分的分散度，一般选择将镍负载在碳材料上。但是，传统的镍基催化剂制备方法（如浸渍法）制备过程复杂，且镍的分散度不高，直接影响其电化学反应的活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法，以本发明方法制备燃料电池阳极镍基碳材料催化剂，方法简便、成本低，且所制备的催化剂具有优良的催化性能。
本发明所述碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法是以可溶性镍盐为氧化剂和镍源，柠檬酸为燃料和碳源，将可溶性镍盐和柠檬酸溶解在水中，在惰性气体保护下，升温至300～800℃进行焙烧，溶液燃烧法一步制备Ni/C催化剂。
本发明上述方法制备得到的碱性体系燃料电池阳极催化剂是将活性组分镍以金属镍和氧化镍的形式负载在无定型碳材料上构成的，可以作为甲醇或尿素电化学氧化反应的镍基碳材料催化剂。
本发明上述制备方法中，优选的可溶性镍盐与柠檬酸的摩尔比为1∶1～5。通过控制可溶性镍盐与柠檬酸的比例，在惰性气体保护下进行不完全燃烧，生成不同Ni和C比例的镍负载碳材料，可以调变甲醇或尿素电化学氧化反应的活性。
进一步地，本发明上述制备方法中，所述的焙烧时间优选为15～30min。
具体地，本发明所述的可溶性镍盐是硝酸盐、硫酸盐、氯化盐或乙酸盐中的一种。
更具体地，所述的可溶性镍盐优选硝酸盐。
更进一步地，本发明是将可溶性镍盐与柠檬酸的水溶液以10～15℃/min的升温速率升温至300～800℃进行焙烧。
本发明采用简便的溶液燃烧方法，一步制备获得了具有导电性的负载镍基活性组分碳材料，将其作为碱性体系燃料电池阳极催化剂，用于碱性体系下甲醇或尿素的电化学氧化反应，具有优良的电化学反应活性。
通过循环伏安法测试本发明制备Ni/C催化剂的甲醇或尿素电化学氧化反应活性，在50mV/s的扫描速率下，0.1M氢氧化钠和0.1M甲醇溶液的混合电解液中0.7V的峰值电流密度14.6～28.2mV/cm2；0.5M氢氧化钠和0.3M尿素溶液的混合电解液中0.6V的峰值电流密度25.4～562mV/cm2，优于同样条件下采用浸渍法制备的Ni/C催化剂，在DMFCs和DUFCs燃料电池中具有潜在应用前景。
附图说明
图1是实施例1、2、3制备Ni/C催化剂的XRD衍射谱图。
图2是实施例1、3、5及对比实施例制备Ni/C催化剂在0.1M氢氧化钠与0.1M甲醇溶液中的循环伏安曲线图。
图3是实施例1、3、5及对比实施例制备Ni/C催化剂在0.5M氢氧化钠与0.3M尿素溶液中的循环伏安曲线图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和0.37g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至400℃保持25min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例2。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和0.37g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至600℃保持20min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例3。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和0.73g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至400℃保持30min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
图1给出了上述实施例1、2和3制备Ni/C催化剂的XRD衍射谱图。可以看出，所制备催化剂中的金属镍组分主要为Ni和NiO，碳主要以无定型碳的形式存在。
实施例4。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和0.73g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至600℃保持20min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例5。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和1.46g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至400℃保持30min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例6。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和1.46g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至600℃保持20min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例7。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和1.46g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至800℃保持15min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
实施例8。
称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O和1.85g柠檬酸(C6H8O7)，加入2ml蒸馏水，搅拌至充分溶解。将溶液倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至400℃保持30min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
对比实施例。
利用浸渍法制备对比实施例样品Ni/C催化剂。称取1.00g Ni(NO)3)2∙6H2O，加入5mL蒸馏水，搅拌至充分溶解，再加入1.00g炭黑充分搅拌，100℃烘箱中干燥24h，倒入磁舟中，放入管式反应炉，在N2氛围下以10℃/min的速率从室温升温至400℃保持30min，然后在N2保护下冷却至室温。取出样品，研磨均匀，分别用蒸馏水和乙醇洗涤两遍，干燥后研磨制成Ni/C催化剂。
应用例。
以上述各实施例和对比实施例制备的Ni/C催化剂修饰玻碳电极。
将玻碳电极抛光成镜面，分别在去离子水和无水乙醇中超声10min。取10mg各实施例和对比实施例制备的Ni/C催化剂，加入到0.8mL 0.05wt% Nafion水溶液与0.2mL异丙醇的混合溶液中，超声分散30min，用移液枪取5μL滴加到玻碳电极表面，室温下干燥。
以修饰后的玻碳电极作为工作电极，对电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极（3M KCl），采用三电极体系，利用循环伏安法对上述各实施例和对比实施例制备的Ni/C催化剂的电化学性能进行表征。
分别以0.1M氢氧化钠+0.1M甲醇混合溶液和0.5M氢氧化钠+0.3M尿素混合溶液作为电解质溶液，实验前通入N2 30min，以除去电解质溶液中的氧气。采用辰华CHI 600B电化学工作站进行甲醇电化学氧化（MOR）和尿素电化学氧化（UOR）反应活性测试，扫描速度50mV/s。
图2给出了以实施例1、3、5和对比实施例制备Ni/C催化剂修饰的玻碳电极在0.1M氢氧化钠+0.1M甲醇混合溶液中的循环伏安曲线图。
图3给出了以实施例1、3、5和对比实施例制备Ni/C催化剂修饰的玻碳电极在0.5M氢氧化钠+0.3M尿素混合溶液中的循环伏安曲线图。
表1列出了各催化剂样品的甲醇和尿素电化学氧化电流密度。
在相同的电化学氧化反应测试条件下，本发明溶液燃烧法制备的Ni/C催化剂比浸渍法制备的Ni/C催化剂具有更高的电流密度。根据表1数据，本发明制备的Ni/C催化剂在电极电势为0.7V（vs. E Ag/AgCl）时，MOR的电流密度为14.6～28.2mA/cm2；在电极电势为0.6V（vs. E Ag/AgCl）时，UOR的电流密度为25.4～56.2mA/cm2。而浸渍法制备Ni/C催化剂的MOR电流密度为14.4 mA/cm2，UOR的电流密度为21.8mA/cm2。

Claims (8)

1.一种碱性体系燃料电池阳极催化剂的制备方法，是以可溶性镍盐作为氧化剂和镍源，柠檬酸为燃料和碳源，将可溶性镍盐和柠檬酸溶解在水中，在惰性气体保护下，升温至300～800℃进行焙烧，溶液燃烧法一步制备Ni/C催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述可溶性镍盐与柠檬酸的摩尔比为1∶1～5。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述焙烧时间为15～30min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的可溶性镍盐是硝酸盐、硫酸盐、氯化盐或乙酸盐中的一种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是所述的可溶性镍盐是硝酸盐。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是将可溶性镍盐与柠檬酸的水溶液以10～15℃/min的升温速率升温至300～800℃进行焙烧。
7.权利要求1至6任一权利要求所述制备方法制备得到的碱性体系燃料电池阳极催化剂，所述催化剂将活性组分以金属镍和氧化镍的形式负载在无定型碳材料上构成。
8.权利要求7所述碱性体系燃料电池阳极催化剂作为甲醇或尿素电化学氧化反应用催化剂的应用。
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