CN1785509A - 载铂泡沫镍催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种载铂泡沫镍催化材料及其制备方法，以及该载铂泡沫镍催化材料在制备碱性电解液氢氧燃料电池中的应用。该材料由微米级泡沫镍基体及负载于其表面的铂构成，铂负载量为10－4mg·cm－2至1mg·cm－2。本载铂泡沫镍催化材料是采用泡沫镍作为基体直接与氯铂酸发生化学反应，使金属铂沉积负载于泡沫镍上而制成的，其沉积在泡沫镍基体表面的金属铂分布均匀、粒径在200nm左右、附着力强，具有极佳的电催化活性。由于采用化学镀铂方法制备，避免了使用剧毒的肼以及危险品硼氢化物作还原剂，制备工艺简单，便于大规模生产，成本相对较低。本载铂泡沫镍催化材料适用于碱性或中性环境，可用于制备碱性氢氧燃料电池的催化电极材料。

Description

载铂泡沫镍催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种载铂泡沫镍催化材料及其制备方法，以及该载铂泡沫镍催化材料在制备碱性电解液氢氧燃料电池中的应用。
背景技术
铂是一种应用很广的催化剂，通常是将铂沉积在具有很大比表面的碳粒等材料上，金属载铂目前的研究主要集中在钛基上镀铂，在镍基上镀铂还未见报道。镀铂的方法包括水溶液电镀、熔盐电镀、化学镀、磁控溅射等。化学镀铂工艺简单，一次性投资小，与电镀法相比，化学镀具有以下显著优点：不存在因为电流分布不均匀所产生的沉积不均匀现象，在整个工件表面都能获得均匀的金属沉积；具有比电沉积优良得多的纵深沉积能力，能使铂粒子均匀地分布在泡沫镍的任何一个能与气体或液体接触的表面。目前化学镀铂大多用氯铂酸溶液和肼溶液反应在质子交换膜等基体上沉积金属铂。
燃料电池发展至今已有160余年的历史，催化电极是影响燃料电池的整体性能的心脏部分，一种新的性能优良的材料的发现及其在燃料电池中的应用，会促进一种燃料电池的飞速发展。氢氧燃料电池具有高效、无污染的特性，铂是氢氧燃料电池用的最多的催化剂。已有报道原鲜霞等在质子交换膜两侧用氯铂酸和等浓度的肼溶液反应制作燃料电池膜电极，但工艺复杂。质子交换膜燃料电池已被看作电动车的最佳候选电源，但用到的质子交换膜和双极板成本太高。铂催化碱性氢氧燃料电池的研究已比较成熟，目前主要应用于航天和地面特殊应用。镍硬度大，富延展性，具有很好的耐腐蚀性，耐强碱，和铂一样对氢有较好的吸附能力。发明人研究发现，具有较大比表面的商品泡沫镍适合做铂催化电极的载体。
发明内容
本发明的目的是提供一种载铂泡沫镍催化材料及其制备方法，以及该载铂泡沫镍催化材料在制备碱性电解液氢氧燃料电池中的应用。
本发明采用在泡沫镍上化学镀铂的方法，用商品泡沫镍直接和氯铂酸发生化学反应、金属铂沉积在泡沫镍上制备出载铂泡沫镍催化材料。其制备工艺简单，大大降低了产品成本；以该产品为催化电极材料的碱性电解液氢氧燃料电池性能优良，有良好的应用前景。
本发明的载铂泡沫镍催化材料是由泡沫镍基体及负载于其表面的铂构成，铂负载量为10-4mg·cm-2至1mg·cm-2(通常为10-3mg·cm-2至0.1mg·cm-2)。
本发明的载铂泡沫镍催化材料可以通过在泡沫镍上化学镀铂的方法，用泡沫镍作为基体直接与氯铂酸发生化学反应，使金属铂沉积负载于泡沫镍上而制得。
上述本发明载铂泡沫镍催化材料的制备方法，一般包括以下步骤：
(1).对泡沫镍基体的表面预处理：用酮类溶剂清洗泡沫镍表面的氧化层；所用的酮类溶剂，是能去除泡沫镍的表面氧化膜的溶剂，如乙酰丙酮、噻吩甲酰三氟丙酮等；所用的泡沫镍可以是一般的商品泡沫镍。
(2).用去离子水配制氯铂酸溶液，氯铂酸溶液浓度可以是包括其饱和浓度以下的所有浓度，一般为0.2mol·L-1～0.0002mol·L-1(常用为0.02mol·L-1～0.002mol·L-1)；
(3).化学镀铂：将经表面预处理后的泡沫镍浸入到氯铂酸溶液中发生化学反应，至溶液变为中性即为反应完全，一般在十二个小时以内；氯铂酸溶液的体积与泡沫镍的重量之比为5∶1～30∶1(mL/g)，最好为10∶1～20∶1(mL/g)；
(4).将载铂泡沫镍取出用去离子水洗净，甩干，然后真空干燥，得到所需的载铂泡沫镍催化材料。得到的载铂泡沫镍催化材料最好密封保存。
本发明的载铂泡沫镍催化材料，所使用的泡沫镍是纯金属镍制成的具有纤细骨架结构的泡沫镍，其棱表面具有桔皮般的微观形态，沉积在泡沫镍基体表面的金属铂分布均匀、粒径在200nm左右、附着力强，具有极佳的电催化活性。本发明的载铂泡沫镍催化材料采用化学镀铂方法制备，避免了使用剧毒的肼以及危险品硼氢化物作还原剂，制备工艺简单，便于大规模生产，成本相对较低，产品适用于碱性或中性环境。
本发明的载铂泡沫镍催化材料可用于制备碱性电解液氢氧燃料电池。具体是将所述载铂泡沫镍材料作为碱性氢氧燃料电池的催化电极材料。
以所需铂负载量的该种载铂泡沫镍材料替换目前同类碱性电解液氢氧燃料电池使用的催化电极材料，制作碱性电解液氢氧燃料电池。在常温下向载铂泡沫镍电极通纯氢和纯氧，电池的开路电压马上达到1.0V左右，短路电流高达0.9A，说明了以本方法制备的载铂泡沫镍催化材料具有极佳的电催化活性。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举以下实施例，但并不限制本发明的范围。
实施例1：
取1玻璃管1g装的氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)，用去离子水配制成2×10-1mol·L-1的氯铂酸溶液(约20mL)。将一块泡沫镍(约1g)用乙酰丙酮浸泡清洗五分钟，再用去离子水洗净，然后在离心机里甩干。将经过表面预处理后的泡沫镍浸入到20mL上述配好的氯铂酸溶液中，发生化学反应，铂沉积在泡沫镍表面。反应经过11h，测pH值约为7，说明反应基本进行完全。将载铂泡沫镍取出用去离子水洗净，在离心机里甩干，真空干燥，密封保存。计算铂负载量，结果列于表1。
实施例2：
取1玻璃管1g装的氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)，用去离子水配制成2×10-2mol·L-1的氯铂酸溶液(约100mL)。将一块泡沫镍(约10g)用乙酰丙酮浸泡清洗五分钟，再用去离子水洗净，然后在离心机里甩干。将经过表面预处理后的泡沫镍浸入到100mL上述配好的氯铂酸溶液中，发生化学反应，铂沉积在泡沫镍表面。反应经过8h，测pH值约为7，说明反应基本进行完全。将载铂泡沫镍取出用去离子水洗冷，在离心机里甩干，真空干燥，密封保存。计算铂负载量，结果列于表1。
实施例3：
同实施例2，只是将2×10-2mol·L-1的氯铂酸溶液稀释10倍配制成2×10-3mol·L-1，反应经过5h即基本进行完全。铂负载量见表1。
实施例4：
同实施例2，只是氯铂酸溶液体积增加到200mL，反应经过10h即基本进行完全。铂负载量见表1。
实施例5：
同实施例3，只是将2×10-3mol·L-1的氯铂酸溶液稀释十倍配制成约2×10-4mol·L-1，反应经过3h即基本进行完全。铂负载量见表1。
实施例6：
同实施例5，只是氯铂酸溶液体积增加到200mL，反应经过4h即基本进行完全。铂负载量见表1。
                             表1.各实施例的铂负载量
  实例   泡沫镍(M)/g   氯铂酸浓度(c)/mol·L-1   氯铂酸体积(V)/mL   氯铂酸溶液中含铂量(m)/mg   反应时间(t)/h   铂负载量(B)/mg·cm-2
  1   1.05   0.2   20   740   11   0.75
  23446   10.8610.6710.3910.4610.62   0.020.0020.020.00020.0002   100100200100200   37037.07403.77.4   851034   0.0350.00350.0760.000350.00069
从表1可知，通过控制氯铂酸溶液浓度和氯铂酸溶液与泡沫镍基体的用量比例，可以控制所制得的载铂泡沫镍材料的铂负载量。
实施例7：
以实施例2的产品载铂泡沫镍(铂负载量为0.035mg·cm-2)替代现有的碱性电解液氢氧燃料电池的催化电极材料，氢、氧电极各使用载铂泡沫镍材料约10g，该电池以室温下7.4mol·L-1KOH(35％)做电解质，使用纯氢纯氧。以饱和甘汞电极为参比，测量电极电势(O2/OH- +、H2O/H2 -)及电池开路电压(Emax)、短路电流(Imax)。结果见表2。
实施例8：
同实施例7，只是氢电极使用实施例4制得的载铂泡沫镍材料(铂负载量为0.076mg·cm-2)。
实施例9：
同实施例8，只是氢、氧电极均使用实施例4制得的载铂泡沫镍材料(铂负载量为0.076mg·cm-2)。
                    表2.铂负载量对电池性能的影响

Claims (8)

1.一种载铂泡沫镍催化材料，其特征是该材料由泡沫镍基体及负载于其表面的铂构成，铂负载量为10-4mg·cm-2至1mg·cm-2。
2.按照权利要求1所述的载铂泡沫镍催化材料，其特征是该材料的铂负载量为10-3mg·cm-2至0.1mg·cm-2。
3.权利要求1或2所述载铂泡沫镍催化材料的制备方法，其特征是采用在泡沫镍上化学镀铂的方法，用泡沫镍作为基体直接与氯铂酸发生化学反应，使金属铂沉积负载于泡沫镍上而制得载铂泡沫镍催化材料。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征是包括以下步骤：
(1).对泡沫镍基体的表面预处理：用酮类溶剂清洗泡沫镍表面的氧化层；所用的酮类溶剂为乙酰丙酮、噻吩甲酰三氟丙酮；
(2).用去离子水配制浓度氯铂酸溶液，浓度为0.2mol·L-1～0.0002mol·L-1；
(3).化学镀铂：将经表面预处理后的泡沫镍浸入到氯铂酸溶液中发生化学反应，至溶液变为中性；氯铂酸溶液体积与泡沫镍重量之比为5∶1～30∶1；
(4).将载铂泡沫镍取出用去离子水洗净，甩干，然后真空干燥，得到所需的载铂泡沫镍催化材料。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征是所述的氯铂酸溶液的浓度为0.02mol·L-1～0.002mol·L-1。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征是所述的氯铂酸溶液体积与泡沫镍重量之比为10∶1～20∶1。
7.权利要求1或2所述载铂泡沫镍催化材料在制备碱性电解液氢氧燃料电池中的应用。
8.按照权利要求7所述的应用，其特征是将所述载铂泡沫镍材料作为碱性氢氧燃料电池的催化电极材料。
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