CN112421053B - 一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料制备方法，利用TiO2‑C结构掺杂Pt与Nb，以一种简便而经济的水热法，来合成Pt/Nb/TiO2‑C复合纳米材料。水热法制备方法简单，反应温度低，此纳米复合材料增强了导电性、提高了表面积，不仅保留了一定催化性能，而且此催化剂的稳定性得到了很大的提升，能抑制催化剂的烧结及因碳载体的腐蚀而导致催化剂颗粒的流失。可用于质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池等，代表了TiO2作为燃料电池催化剂载体的应用上具有巨大的开发潜力。

Description

一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电池阴极催化剂的制备方法，特别是涉及一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将存在于化学燃料与氧化剂中的化学能直接、连续地转化为电能的发电装置。电极催化剂对于燃料电池来说至关重要，催化剂的催化效率决定了电极的反应速率，也就决定了燃料电池的效率。然而，催化剂常因稳定性的下降影响燃料电池的寿命。
Pt的存在会加速燃料电池催化剂中碳载体的腐蚀。因此非常有必要寻找在燃料电池工作条件下，性能稳定的非碳载体取代催化剂中常用的碳载体材料，以提高燃料电池的耐久性。导电金属氧化物由于具有适宜的表面积、机械强度、热力学和水热稳定性，使得导电金属氧化物有望作为催化剂载体应用于燃料电池。它们能均匀分散催化剂颗粒，金属和催化剂间的相互作用能提高催化剂的催化活性及稳定性，以及合理的催化活性使得导电金属氧化物成为一种有前景的催化剂载体。在众多金属氧化物中，二氧化钛化学稳定性高，导电性相对其他金属氧化物高，并且来源丰富，成本低廉，因此在燃料电池催化剂中可能替代传统的碳载体。
TiO2具有无毒、价廉、稳定性好等优点，在燃料电池领域的应用也越来越受到人们的关注。贵金属与TiO2 载体之间存在“强相互作用”，这种作用是由于贵金属的被占据 d轨道与Ti4+ 的空 d 轨道重叠而形成金属—金属键所致，加入TiO2为载体的催化剂在稳定性方面都高于传统的 Pt/C催化剂，研究认为TiO2的加入能抑制催化剂的烧结及因碳载体的腐蚀而导致催化剂颗粒的流失。但考虑到纯TiO2为载体存在导电性低及表面积小的缺点，掺杂其他相似的导电金属及与碳混合从而增强导电性、改变TiO2的形貌以提高表面积。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法。
本发明目的通过下述方案实现：一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法，利用TiO2-C结构掺杂Pt与Nb，以一种简便而经济的水热法，来合成Pt/Nb/TiO2-C复合纳米材料，它包括如下步骤：
(1) 称取20ml葡萄糖溶液（摩尔浓度为0.5M）密封于高压釜下维持180℃保温5h；
(2) 采用离心分离法分离深色粉体并过滤和热处理，将此深色粉体浸泡在摩尔浓度为4M的强碱溶液中5h，再将此溶液离心，并分离分体置于烧杯中；
(3) 称取1~5g的二氧化钛纳米颗粒，和各1~2g的五氧化二铌与氯铂酸（五氧化二铌与氯铂酸质量比为1:1）置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率30%~80%之间，烘箱中80~100℃下水热反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀样品；
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。
在步骤（2）中所说的离心分离法分离深色粉体，离心速度应在8000转/分钟以上，持续时间3分钟左右。
在步骤（2）中所说的强碱溶液为氢氧化钠，氢氧化钾或其他能够提供氢氧根离子的强碱。
利用TiO2-C结构掺杂Pt与Nb，以一种简便而经济的水热法，来合成Pt/Nb/TiO2-C复合纳米材料，通过掺杂其他相似的导电金属及与碳混合，此纳米复合材料增强了导电性、提高了表面积，不仅保留了一定催化性能，而且此催化剂的稳定性得到了很大的提升，代表了TiO2作为燃料电池催化剂载体的应用上具有广大的前景。
本发明水热法制备方法简单，反应温度低，此纳米复合材料增强了导电性、提高了表面积，不仅保留了一定催化性能，而且此催化剂的稳定性得到了很大的提升，能抑制催化剂的烧结及因碳载体的腐蚀而导致催化剂颗粒的流失。可用于质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池等，代表了TiO2作为燃料电池催化剂载体的应用上具有巨大的开发潜力。
附图说明
图1为此催化剂TiO2-C结构为基掺杂Pt、Nb原子的图解。
具体实施方式
实施例1：
一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料，利用TiO2-C结构掺杂Pt与Nb，采用水热法合成Pt/Nb/TiO2-C复合纳米材料，按如下步骤制备：
(1) 称取20ml摩尔浓度为0.5M的葡萄糖溶液密封于高压釜下维持180℃保温5h得深色沉淀；
(2) 采用离心分离法分离深色沉淀并过滤和热处理，将得到的深色粉末浸泡在摩尔浓度为4M的氢氧化钠溶液中5h，再将此溶液离心，并分离粉末置于烧杯中；
(3) 称取1g的二氧化钛纳米颗粒和各1g的五氧化二铌、氯铂酸，置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率80%之间，烘箱中80~100℃下水热反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀样品；
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。
实施例2：
一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料，与实施例1近似，按如下步骤制备：
(1) 称取20ml葡萄糖溶液（0.5M）密封于高压釜下维持180℃保温5h；
(2) 采用离心分离法分离深色粉体并过滤和热处理，将此粉末浸泡在氢氧化钠溶液(4M)中5h,再将此溶液离心，并分离分体置于烧杯中；
(3) 称取5g的二氧化钛纳米颗粒，和各1.5g的五氧化二铌、氯铂酸置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率50%之间，烘箱中100℃下反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀。
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。
实施例3：
一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料，与实施例1近似，按如下步骤制备：
(1) 称取20ml葡萄糖溶液（0.5M）密封于高压釜下维持180℃保温5h；
(2) 采用离心分离法分离深色粉体并过滤和热处理，将此粉末浸泡在氢氧化钠溶液(4M)中5h,再将此溶液离心，并分离分体置于烧杯中；
(3) 称取3g的二氧化钛纳米颗粒，和各2g的五氧化二铌、氯铂酸置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率50%之间，烘箱中100℃下反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀。
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。
实施例4：
(1) 称取20ml葡萄糖溶液（0.5M）密封于高压釜下维持180℃保温5h；
(2) 采用离心分离法分离深色粉体并过滤和热处理，将此粉末浸泡在氢氧化钠溶液(4M)中5h,再将此溶液离心，并分离分体置于烧杯中；
(3) 称取1.8g的二氧化钛纳米颗粒，和各1.2g的五氧化二铌、氯铂酸置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率80%之间，烘箱中80℃下反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀。
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法，其特征在于，采用水热法合成Pt/Nb/TiO2-C复合纳米材料，包括如下步骤：
(1) 称取20ml摩尔浓度为0.5M的葡萄糖溶液密封于高压釜下维持180℃保温5h得深色沉淀；
(2) 采用离心分离法分离深色沉淀并过滤和热处理，将得到的粉末浸泡在摩尔浓度为4M的强碱溶液中5h，再将此溶液离心，并分离粉末置于烧杯中；
(3) 称取1~5g的二氧化钛纳米颗粒，和各1~2g的五氧化二铌与氯铂酸，且五氧化二铌与氯铂酸质量比为1:1，置于上述烧杯中；
(4) 向上述原料中加入20ml水，混合剧烈搅拌2小时；
(5) 将溶液放入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜填充率30%~80%之间，烘箱中80~100℃下水热反应2~5小时，待温度降至室温，取沉淀样品；
(6) 将此样品在氩气氛围下进行500℃的热处理，即可得到所需产品。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中离心速度在8000转/分钟以上，持续时间3分钟。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于燃料电池阴极催化剂纳米复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，强碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或其他可提供OH-离子的强碱。
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