一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，将电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10‑20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板，施加0‑50kV电压，注射器推进速度为0.002‑0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收集板上，形成阳极电催化剂膜，静电纺丝过程温度为30‑50℃；通过本发明专利技术直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，制备出来的阳极催化剂的是膜状结构并且均匀分布，同时简化了传统的粉末状结构，简化了传统工艺中复杂的涂覆制备催化层的步骤，与以往的燃料电池阳极催化剂具有明显的优点，简便了电池组装。

Method for preparing graphene based anode electrocatalyst for direct alcohol fuel cell

The invention discloses a preparation method of direct methanol fuel cell and graphene based anode catalysts, the electrospun liquid suction syringe, electrostatic spinning needle and syringe cathode high voltage DC power supply is connected to the tip distance vertical direction 10 20cm placed rotary type is connected with the DC high voltage anode collecting plate, applied 0 50kV voltage, speed of 0.002 0.01mm/s syringe, and the electro spinning solution in high voltage electric field and its solution under the action of gravity from the syringe tip jet, Taylor cone formation, jet collecting plate on a rotary type, forming the anode catalyst membrane, temperature electrospinning process for 30 by 50 DEG C; the invention of direct methanol fuel cell graphene based anode catalysts, anode catalyst preparation is out of the membrane structure and uniform distribution, and simplify the traditional The powder structure simplifies the process of complex coating preparation of catalytic layer in traditional process, and has obvious advantages over the previous fuel cell anode catalyst, and simplifies the battery assembly.

【技术实现步骤摘要】
一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法
本专利技术涉及属于燃料电池催化剂领域，具体涉及一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法。
技术介绍
目前环境污染问题日益突出，开发清洁、高效和可循环的新能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池因为其无污染，并且具有高效的发电性能引起了人们的研究兴趣。而直接醇类燃料电池作为质子交换膜燃料电池的其中一种，同样在发电方面具有无污染、无噪音和能量转化效率高等优点。但是目前催化剂的主要成分为贵金属铂，其高成本和低寿命两大问题在一定程度上限制了燃料电池的大范围推广，而载体的选择在很大程度上影响催化性能。目前广泛应用的催化剂载体主要为VulcanXC-72、碳纳米纤维和碳纳米管等，在一定程度上解决了阳极催化剂成本高和易中毒的问题，但仍然不能满足理想电催化剂载体的要求。石墨烯作为新型材料引发了燃料电池催化剂载体的研究热潮，因其独特的二维平面结构、巨大的比表面积和高导电性；由于电化学活性位分布均一，将催化剂粒子担载在石墨烯的表面上时可明显降低催化反应的过电势，从而有利于催化反应的进行。目前常用的催化剂制备方法有化学还原法，电化学沉积法和溶胶-凝胶法等。化学还原法操作简单可大规模生产，但是由于金属的形成是在液相中和载体表面进行，金属晶核在载体表面上随机形成催化剂颗粒，因此在制备过程中容易出现分布不均匀现象；并且还原剂和有机溶剂会降低石墨烯与纳米粒子结合界面的活性，因此制备出的复合材料性能不高。电化学沉积法制备催化剂纳米颗粒具有可控、易操作和绿色环保等优点，在催化剂制备方面应用越来越广泛，但所制得的复合材料金属纳米粒子没有渗入石墨烯片层中，主要沉积在石墨烯涂层表面导致性能不可靠。溶胶-凝胶法是制备薄膜涂层材料非常有效的一种方法，反应温度较低，容易进行，但是溶胶成形的过程中干扰因素较多，易发生胶粒团聚等现象。通过静电纺丝技术制备纳米纤维，有利于增大催化剂的比表面积和催化效率。目前的研究向着制备具有排列规整纤维，取向纤维、纳米线以及纤维成网和成纤结构的可控制等方面发展。这种特殊结构的纳米纤维在生物医学工程、特殊定向超疏水表面结构设计以及特殊光、电性能方面均表现出独特的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种操作简单、工作效果佳的制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，其创新点在于：将含有催化剂的电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板，施加0-50kV电压，注射器推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收集板上，形成阳极电催化剂膜，所述静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h；所述电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分子材料、催化剂载体的溶液，所述电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，所述催化剂载体为石墨烯，所述石墨烯加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%-18wt%，所述高分子材料的加入量为5wt%-8wt%，所述石墨烯和金属化合物按质量比为1:9-100。进一步的，所述电纺液中添加Pt、Sn、Ru所属金属化合物中两种或三种金属组合物。进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn=1-4:1。进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Ru=1-4:1。进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn：Ru=1-3:1-3:1。进一步的，所述旋转型收集板选用不锈钢管状、铜管状、铝管状结构中的一种，所述旋转型收集板的直径范围为40-60mm，所述旋转型收集板的长度范围为1000-1600mm，所述旋转型收集板的转速为100-2000r/min。本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术的直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，制备出来的阳极催化剂是膜状结构并且均匀分布，简化了传统的粉末状结构，简化了传统工艺中复杂的涂覆制备催化层的步骤，与以往的燃料电池阳极催化剂具有明显的优点，简便了电池组装。（2）本专利技术的直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，改变以往利用碳纤维、石墨化添加剂和金属颗粒的组合，直接以石墨烯为催化剂载体，加入金属化合物，通过特定操作和步骤，大幅度提高了催化剂催化氧化醇的活性、稳定性和抗中毒能力。（3）本专利技术的直接醇类燃料电池石墨烯基阳极催化剂的制备方法，采用传统静电纺丝技术制备催化剂过程中，电纺液制备时采用水浴搅拌反应方式，反应温度较低，操作简便。附图说明图1为本专利技术的静电纺丝装置结构示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。如图1所示，一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，将电纺液吸入注射器2中，进行静电纺丝，注射器2的针尖与直流高压电源正极1相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板3，施加0-50kV电压，注射器2在注射泵4的压力下推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器2针尖处喷出，形成泰勒锥5，同时，调控注射泵在横向导轨6上的移动速度，喷射在旋转型收集板3上，均匀地形成阳极电催化剂膜，静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h，注射器2的规格为2ml、5ml、10ml三种，旋转型收集板3选用不锈钢管状、铜管状、铝管状结构中的一种，旋转型收集板3的直径范围为40-60mm，旋转型收集板3的长度范围为1000-1600mm，旋转型收集板3的转速为100-2000r/min，注射泵上端部设置有横向导轨6，注射器2在注射泵4带动下可以随注射泵一起沿着旋转接收器的轴向方向往复移动，从而保障旋转型收集极板的整个表面接收到的阳极电催化剂膜厚度均匀。电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分子材料、催化剂载体的溶液，电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，催化剂载体为石墨烯，石墨烯加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%-18wt%，高分子材料的加入量为5wt%-8wt%，石墨烯和金属化合物按质量比为1:9-100。电纺液中添加Pt、Sn、Ru所属金属化合物中两种或三种金属组合物。可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn=1-4:1。可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Ru=1-4:1。可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn：Ru=1-3:1-3:1。实施例1电纺液中添加石墨烯10mg的PtSn石墨烯基阳极催化剂制备方法：10mg的石墨烯加入9gN，N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，得到分散均匀的石墨烯-DMF混合液，取0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，其特征在于：将电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10‑20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板，施加0‑50kV电压，注射器推进速度为0.002‑0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收集板上，形成阳极电催化剂膜，所述静电纺丝过程温度为30‑50℃，纺丝时间为8h；所述电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分子材料、催化剂载体的溶液，所述电纺液的溶剂为二甲基‑甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，所述催化剂载体为石墨烯，所述石墨烯加入量的质量百分数为0.08wt%‑0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%‑18wt%，所述高分子材料的加入量为5wt%‑8wt%，所述石墨烯和金属化合物按质量比为1:9‑100。

【技术特征摘要】
1.一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，其特征在于：将电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板，施加0-50kV电压，注射器推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收集板上，形成阳极电催化剂膜，所述静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h；所述电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分子材料、催化剂载体的溶液，所述电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，所述催化剂载体为石墨烯，所述石墨烯加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%-18wt%，所述高分子材料的加入量为5wt%-8wt%，所述石墨烯和金属化合物按质量比为1:9-100。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：倪红军，朱昱，周燕琴，汪兴兴，黄明宇，吕帅帅，廖萍，李志扬，朱杨杨，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32