CN113289619B - 一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，该方法包括：一、将市售碳毡经双氧水中浸泡后干燥得到碳毡载体；二、将四氯金酸水合物粉末溶解于去离子水中得到氯金酸溶液；三、将氯金酸溶液稀释后加入碳毡载体浸泡，经干燥得到金离子负载碳毡；四、将金离子负载碳毡加入小分子醇进行水热还原，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。本发明将柔性的碳毡改性后浸泡吸附Au3+进行水热还原，在碳毡上原位生长形成金单质，控制了金单质的形貌和尺寸，降低了电催化反应过程中的电荷传递电阻，提高了柔性碳纤维负载金电催化剂的电催化性能，且碳毡方便设计成多种尺寸形状，降低其应用难度，解决了粉体或块体催化剂在大规模应用方面的不足。
Description
技术领域
本发明属于电催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法。
背景技术
在贵金属催化剂的制备过程中，为了尽可能降低贵金属的使用量以及提高贵金属的催化活性位点，常常需要将贵金属负载到载体上。载体不仅能保持金属颗粒的分散，而且对催化系统的效率和稳定性也至关重要。金属与载体的相互作用影响其催化性能的方式有：几何效应(如调控金属纳米颗粒的尺寸、形貌以及应变)、电子效应(如金属与载体之间的电荷转移或由于载体与金属之间的配位而产生的“配体”效应)、界面反应活性、载体直接参与催化反应。催化剂载体可以是石墨碳材料、金属单质或氧化物等。
作为电催化剂，材料的导电性是被考虑的首要因素。碳材料因其优异的导电性而成为电催化剂载体的首选，其作为催化剂载体的优点主要有：(1)具有丰富的孔道结构；(2)表面化学性质易于调控；(3)有利于金属相的还原；(4)具有优异的抗酸碱性；(5)具有高温稳定性(惰性气氛下在1023K时仍能保持稳定的结构)；(6)多孔碳材料可以制备出不同的形状，如纤维状、颗粒状和球形等；(7)活性组分易于回收；(8)成本低廉。因此，碳材料作为载体，成为负载型催化剂的首选。常用的碳载体材料有活性炭、石墨烯、碳纳米管等。而这些碳载体多为粉体或块状结构，使用时需要通过高分子粘合剂(如Nafion、聚四氟乙烯等)将其涂敷在导电基底(碳布、碳纸、镍网等)上，这样不可避免地会导致实验过程中催化剂从基底上脱落而造成电催化性能的降低，以及在电极制备过程中高分子粘合剂的使用所造成的电极整体导电性的降低。另外，这种粉体碳基催化剂难以制备大面积的电极，无法满足后期实际生产应用。因此，直接在柔性导电碳基底上原位生长贵金属催化剂并以此作为高效和独立的电极使用，将是一种有效的方法以解决上述不足，并可以提高电催化性能。
碳基贵金属催化剂的制备方法通常为液相还原法和高温碳热还原或氢气还原法。液相还原法是合成贵金属纳米材料的常用方法，选择一种或多种可溶性贵金属盐，按所制备的材料组成计量配成溶液，使各元素呈离子或分子状态，再向体系中加入合适的还原剂(硼氢化钠、水合肼、醇类小分子等)，使金属阳离子还原成单质析出。但是，由于晶体在溶液体系中生长的各向异性，液相还原法难以控制贵金属在碳基底上的原位还原生长。高温碳热还原或氢气还原法，是利用碳基底或氢气将贵金属还原为零价，然而这种方法难以控制贵金属晶体的形貌和尺寸等。
气相水热法是一种非常有效的原位可控合成方法。相比传统的液相水热法，气相水热法最大的区别在于所有的反应都是由挥发性反应物触发的，并且发生在基底表面由挥发性反应物和水蒸气所形成的薄层液相反应区域内。由于挥发性反应物在薄层液相反应区域内的快速传质，纳米结构生长单元迅速达到饱和状态，从而实现纳米结构在基底表面的快速原位生长。因此，气相水热法用于电催化剂制备有如下优势：①电催化活性组分可以在导电基底上直接生长，可作为独立电极直接用于电催化反应，产生高的电流密度，同时可以避免使用粉体催化剂所带来的复杂的电极制备过程；②气相水热反应过程中，在导电基底表面的薄层液相反应区域中所形成的有限厚度的活性组分更有利于催化活性位点的暴露和导电性的增强，从而提高电催化活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法。该方法以柔性的碳毡为碳基体经改性后浸泡吸附Au3+，通过水热还原将Au3+原位还原并原位生长形成金单质，制备得到柔性碳纤维负载金电催化剂，有效控制了金单质的形貌和尺寸，有效降低了金与碳毡基底的接触电阻，从而降低了电催化反应过程中的电荷传递电阻，提高了柔性碳纤维负载金电催化剂的电催化性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将市售碳毡裁剪后浸没于双氧水中浸泡，经干燥得到碳毡载体；
步骤二、将四氯金酸水合物粉末完全溶解于去离子水中，得到氯金酸溶液；
步骤三、将步骤二中得到的氯金酸溶液加入去离子水稀释，然后加入步骤一中得到的碳毡载体浸泡，经干燥得到金离子负载碳毡；
步骤四、将步骤三中得到的金离子负载碳毡放置于反应釜中，并加入小分子醇，然后移入烘箱中进行水热还原，再依次经清洗和烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。
本发明以柔性的碳毡为碳基体，将碳毡经双氧水浸泡处理，使其表面改性富含羧基官能团(-COOH)，经干燥得到碳毡载体，然后放入稀释后的氯金酸(HAuCl4·4H2O)溶液中浸泡，利用羧基官能团充分吸附Au3+，再放置于反应釜中，以小分子醇作为反应溶剂和还原剂，进行水热还原，使得小分子醇转化为蒸汽并与碳毡载体上吸附的Au3+充分接触并反应，将Au3+原位还原形成Au单质，制备得到柔性碳纤维负载金电催化剂。同时，本发明的水热还原过程原位形成金单质，有效降低了金与碳毡基底的接触电阻，从而降低了电催化反应过程中的电荷传递电阻，提高了柔性碳纤维负载金电催化剂的电催化性能。另外，本发明的方法过程简单，制备的柔性碳纤维负载金电催化剂无需复杂的后续处理，即可直接用于电催化反应；且该方法的反应时间短，反应温度低，反应条件温和且易于控制，为碳基负载贵金属电催化剂材料的制备提供了科学依据。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述双氧水的质量分数为30％，浸泡时间为24h；步骤一中所述干燥的温度为60℃。该优选浓度的市售双氧水无需稀释，可直接使用；该优选的浸泡时间保证了碳毡表面充分改性，提高了后续对Au3+的吸附量，进而提高电催化剂的催化性能；该优选的干燥温度在烘干的同时避免了碳毡载体的氧化。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述四氯金酸水合物粉末的质量与去离子水的体积之比为1:100，质量的单位为g，体积的单位为mL。该优选的配比保证了氯金酸溶液中含有高浓度的Au3+，方便配制和后期的取量、稀释和使用。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤三中所述氯金酸溶液与加入去离子水的体积比为1:5。该优选的稀释倍数保证了浸泡过程中Au3+的高浓度，进而保证了碳毡载体对Au3+的吸附量，且稀释氯金酸溶液增大浸润液体积有利于对碳毡载体完全浸润，保证浸润的均匀性和完全性。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤三中所述浸泡的时间为24h。该优选浸泡时间实现了对Au3+的吸附饱和，提高了性碳纤维负载金电催化剂的金单质含量，进而提高其电催化性能。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤四中所述小分子醇为乙醇。选用乙醇作为水热还原的还原剂和反应溶剂，在水热还原过程中更易于碳毡载体上吸附的Au3+充分接触，且反应充分，副反应较少，且乙醇更易获得。
上述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤四中将金离子负载碳毡置于聚四氟乙烯支架上，然后放入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，并向反应釜内胆中加入无水乙醇，再将反应釜整体转入烘箱中，在温度为150℃～200℃的条件下进行水热还原2h，自然冷却至室温后取出聚四氟乙烯支架上的经水热还原的金离子负载碳毡，采用去离子水反复清洗，再放入真空干燥箱中在60℃烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。优选的支架和反应釜内胆材料聚四氟乙烯具有耐高温、耐酸耐碱等优点，保证了水热还原的顺利进行；该优选的水热还原反应条件温和，反应过程容易控制。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以柔性的碳毡为碳基体经改性后浸泡吸附Au3+，然后进行水热还原，将Au3+原位还原并原位生长形成金单质，制备得到柔性碳纤维负载金电催化剂，有效控制了金单质的形貌和尺寸，有效降低了金与碳毡基底的接触电阻，从而降低了电催化反应过程中的电荷传递电阻，提高了柔性碳纤维负载金电催化剂的电催化性能。
2、本发明采用碳毡作为碳基体原位生长负载贵金属金的电催化剂，由于碳毡为柔性碳纤维，方便设计成多种尺寸以及多种形状(如卷曲或卷绕等)，且有效用于转化工艺的放大实验中，降低其应用难度，且应用范围广，解决了现有粉体或块体催化剂在大规模应用方面的不足。
3、本发明以乙醇作为水热还原的反应溶剂和还原剂，经原位还原制备柔性碳纤维负载金催化剂，工艺简单，反应条件温和，且乙醇容易获得，降低了电催化剂的制备难度。
4、本发明通过控制水热还原的反应溶剂种类、温度和时间工艺参数，有效控制了金的原位生长过程，进而控制了金的形貌和尺寸，反应条件易于控制，且反应时间短、反应温度低，为碳基负载贵金属电催化剂材料的制备提供了科学依据。
5、本发明制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中金单质分布均匀且杂质较少，无需复杂的后续处理，即可直接用于电催化反应，
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1a是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(100×)。
图1b是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(8000×)。
图1c是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(60000×)。
图2a是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的高分辨透射电镜图。
图2b是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图。
图2c是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中Au元素分布图。
图2d是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中C元素分布图。
图3是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的X射线能谱图。
图4是本发明实施例1制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的X射线衍射图谱。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将市售碳毡裁剪至尺寸为3cm×3cm(长×宽)后浸没于质量分数为30％的双氧水中浸泡24h，然后放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到碳毡载体；
步骤二、将1.0g四氯金酸水合物(HAuCl4·4H2O)粉末完全溶解于100.0mL去离子水中，得到氯金酸溶液；
步骤三、将1.0mL步骤二中得到的氯金酸溶液滴入烧杯中并加入5.0mL去离子水稀释，然后加入步骤一中得到的碳毡载体浸泡24h，放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到金离子负载碳毡；
步骤四、将步骤三中得到的金离子负载碳毡置于聚四氟乙烯支架上，然后放入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，并向反应釜内胆中加入20mL无水乙醇，再将反应釜整体转入烘箱中，在温度为150℃的条件下进行水热还原2h，自然冷却至室温后取出聚四氟乙烯支架上的经水热还原的金离子负载碳毡，采用去离子水反复清洗，再放入真空干燥箱中在60℃烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。
图1a是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(100×)，图1b是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(8000×)，图1c是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的扫描电子显微镜图(60000×)，从图1a～图1c可以看出，该柔性碳纤维负载金电催化剂中的碳纤维具有长程结构，并且纤维表面光滑，无明显颗粒物附着，说明该柔性碳纤维负载金电催化剂中负载的金单质尺寸较小，接近原子级别，低于仪器的检测限。
图2a是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的高分辨透射电镜图，图2b是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图，说明该柔性碳纤维负载金电催化剂中负载的金单质尺寸较小，接近原子级别，低于仪器的检测限。
图2c是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中Au元素分布图，图2d是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中C元素分布图，从图2c和图2d中可以看出，该柔性碳纤维负载金电催化剂中的Au元素和C元素的分布均较为均匀。
图3是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的X射线能谱图，从图3中可以明显观察到Au元素的信号，说明该柔性碳纤维负载金电催化剂中负载有金元素。
图4是本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂的X射线衍射图谱，图中CF代表柔性碳纤维，CF-Au代表柔性碳纤维负载金电催化剂，从图4中观察到柔性碳纤维负载金电催化剂在金(111)和(200)两个晶面的衍射峰，说明该柔性碳纤维负载金电催化剂中负载有金单质。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将市售碳毡裁剪至尺寸为3cm×3cm(长×宽)后浸没于质量分数为30％的双氧水中浸泡24h，然后放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到碳毡载体；
步骤二、将1.0g四氯金酸水合物(HAuCl4·4H2O)粉末完全溶解于100.0mL去离子水中，得到氯金酸溶液；
步骤三、将1.0mL步骤二中得到的氯金酸溶液滴入烧杯中并加入5.0mL去离子水稀释，然后加入步骤一中得到的碳毡载体浸泡24h，放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到金离子负载碳毡；
步骤四、将步骤三中得到的金离子负载碳毡置于聚四氟乙烯支架上，然后放入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，并向反应釜内胆中加入20mL无水乙醇，再将反应釜整体转入烘箱中，在温度为170℃的条件下进行水热还原2h，自然冷却至室温后取出聚四氟乙烯支架上的经水热还原的金离子负载碳毡，采用去离子水反复清洗，再放入真空干燥箱中在60℃烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。
经检测，本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中负载有金单质，且Au元素和C元素的分布均较为均匀。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将市售碳毡裁剪至尺寸为3cm×3cm(长×宽)后浸没于质量分数为30％的双氧水中浸泡24h，然后放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到碳毡载体；
步骤二、将1.0g四氯金酸水合物(HAuCl4·4H2O)粉末完全溶解于100.0mL去离子水中，得到氯金酸溶液；
步骤三、将1.0mL步骤二中得到的氯金酸溶液滴入烧杯中并加入5.0mL去离子水稀释，然后加入步骤一中得到的碳毡载体浸泡24h，放置于真空干燥箱中经60℃干燥得到金离子负载碳毡；
步骤四、将步骤三中得到的金离子负载碳毡置于聚四氟乙烯支架上，然后放入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，并向反应釜内胆中加入20mL无水乙醇，再将反应釜整体转入烘箱中，在温度为200℃的条件下进行水热还原2h，自然冷却至室温后取出聚四氟乙烯支架上的经水热还原的金离子负载碳毡，采用去离子水反复清洗，再放入真空干燥箱中在60℃烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。
经检测，本实施例制备的柔性碳纤维负载金电催化剂中负载有金单质，且Au元素和C元素的分布均较为均匀。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将市售碳毡裁剪后浸没于双氧水中浸泡，经干燥得到碳毡载体；
步骤二、将四氯金酸水合物粉末完全溶解于去离子水中，得到氯金酸溶液；
步骤三、将步骤二中得到的氯金酸溶液加入去离子水稀释，然后加入步骤一中得到的碳毡载体浸泡，经干燥得到金离子负载碳毡；
步骤四、将步骤三中得到的金离子负载碳毡置于聚四氟乙烯支架上，然后放入聚四氟乙烯材质的反应釜内胆中，并向反应釜内胆中加入无水乙醇，再将反应釜整体转入烘箱中，在温度为150℃～200℃的条件下进行水热还原2h，自然冷却至室温后取出聚四氟乙烯支架上的经水热还原的金离子负载碳毡，采用去离子水反复清洗，再放入真空干燥箱中在60℃烘干，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤一中所述双氧水的质量分数为30％，浸泡时间为24h；步骤一中所述干燥的温度为60℃。
3.根据权利要求1所述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述四氯金酸水合物粉末的质量与去离子水的体积之比为1:100，质量的单位为g，体积的单位为mL。
4.根据权利要求1所述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤三中所述氯金酸溶液与加入去离子水的体积比为1:5。
5.根据权利要求1所述的一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤三中所述浸泡的时间为24h。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101507912A (zh) * | 2009-02-18 | 2009-08-19 | 大连理工大学 | 一种氧官能团化的炭材料及应用 |
| CN102522569A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-06-27 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种改性碳素多孔材料的方法 |
| CN105720273A (zh) * | 2016-03-22 | 2016-06-29 | 大连理工大学 | 一种高载量、高分散担载型金纳米催化剂的一步可控制备方法和应用 |
| CN106311145A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-11 | 湖南南方搏云新材料股份有限公司 | 利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法 |
| CN107919479A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-17 | 陕西盛迈石油有限公司 | 利用氧化石墨烯和聚 3,4‑乙烯二氧噻吩制备电极材料的方法 |
| CN110624540A (zh) * | 2019-10-25 | 2019-12-31 | 辽宁大学 | 新型钌基自支撑电催化材料及其制备方法和在电催化氮气还原产氨中的应用 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103469216B (zh) * | 2013-09-15 | 2015-11-18 | 西北有色金属研究院 | 一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101507912A (zh) * | 2009-02-18 | 2009-08-19 | 大连理工大学 | 一种氧官能团化的炭材料及应用 |
| CN102522569A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-06-27 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种改性碳素多孔材料的方法 |
| CN105720273A (zh) * | 2016-03-22 | 2016-06-29 | 大连理工大学 | 一种高载量、高分散担载型金纳米催化剂的一步可控制备方法和应用 |
| CN106311145A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-11 | 湖南南方搏云新材料股份有限公司 | 利用未固化碳毡边角料制备重金属吸附活性碳纤维的方法 |
| CN107919479A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-17 | 陕西盛迈石油有限公司 | 利用氧化石墨烯和聚 3,4‑乙烯二氧噻吩制备电极材料的方法 |
| CN110624540A (zh) * | 2019-10-25 | 2019-12-31 | 辽宁大学 | 新型钌基自支撑电催化材料及其制备方法和在电催化氮气还原产氨中的应用 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Gold particles growth on carbon felt for efficient micropower generation in a hybrid biofuel cell;Thi Xuan Huong Le et al.;《Electrochimica Acta》;20161120;第219卷;第121-129页 * |
| Selective removal of chlorine from chloroaromatic pollutants by electrocatalytic reduction over palladium-loaded carbon felt;A. I. TSYGANOK;《Research on Chemical Intermediates》;20060331;第32卷(第3-4期);第357–372页 * |
| 一种无膜的自呼吸式直接醇燃料电池;易清风等;《中国科学：化学》;20131020;第43卷(第10期);第1346-1353页 * |
| 硝酸化学改性碳毡空气阴极的性能;唐玉兰等;《中国给水排水》;20140331;第30卷(第5期);第10-14页 * |
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