一种Pd‑Cu‑Co/C三元燃料电池阳极催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种Pd‑Cu‑Co/C三元燃料电池阳极催化剂及其制备方法与应用，催化剂中，Pd的质量百分含量为18‑23％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.8‑2.2:1.8‑2.2:1；制备时，分别将(NH

【技术实现步骤摘要】
一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂及其制备方法与应用
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
燃料电池是一种将存在于燃料及氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。甲酸作为一种稳定无毒的液体，是直接液体燃料电池的理想燃料，已受到广泛研究。直接甲酸燃料电池具有较高的能量密度及开路电位，可用于便携式设备的能源装置。其中，催化剂是此类燃料电池的核心物质。直接甲酸燃料电池阳极催化剂主要有Pd、Pt两类催化剂体系，与Pt相比，Pd表面的甲酸氧化过程可通过直接氧化途径进行，避免了中间产物CO的毒化，使Pd具有更高的催化氧化甲酸活性。此外，Pd的价格相对较低，且储量较丰富，因而Pd基催化剂在燃料电池领域具有更大的潜力。但由于Pd基催化剂的稳定性较差，因此，如何在保证Pd基催化剂优异催化性能的前提下，尽可能提高Pd基催化剂的稳定性，成为亟待解决的问题之一。申请公布号为CN104409745A的中国专利技术专利公开了一种高性能超低钯载量的直接甲酸用燃料电池阳极电催化剂Pd-CoP/C的制法。包括：将载体与六水合氯化钴分散于水中，超声分散、搅拌后蒸干得到第一复合载体；将第一复合载体与水合次亚磷酸钠混合研磨反应一小时，洗涤、干燥得到第二复合载体；将第二复合载体分散于乙二醇中，加入氯钯酸，超声分散搅拌，得到第一悬浊液；将第一悬浊液室温搅拌下以氢氧化钠调节pH值，得到第二悬浊液；将第二悬浊液微波辐射，洗涤、干燥后得到负载型钯催化剂。上述专利公布的技术方案中，通过添加CoP作为共/助催化剂，以提高钯基催化剂对甲酸电氧化的催化活性和稳定性，同时还可以降低贵金属钯的载量。但是，该制备方法过于繁琐，制备过程较复杂，需分批次多次加料，操作不便，且该Pd-CoP/C催化剂是通过金属-非金属的助催化作用提高催化剂的催化性能，催化剂各组分之间的协同作用差，催化性能的提升效果不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种催化活性及稳定性好且原料成本低的Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂及其制备方法与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂，该催化剂中，Pd的质量百分含量为18-23％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.8-2.2:1.8-2.2:1。作为优选的技术方案，该催化剂中，Pd的质量百分含量为19-21％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.9-2.1:1.9-2.1:1。作为进一步优选的技术方案，该催化剂中，Pd的质量百分含量为20％，Pd、Cu、Co的摩尔比为2:2:1。一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂的制备方法，该方法具体包括以下步骤：(1)分别将(NH4)2PdCl4、CuCl2·2H2O、Co(NO3)2·6H2O及柠檬酸三钠加入至乙二醇中，混合均匀后加入碳粉，并搅拌均匀；(2)调节pH值至8-10，之后在氮气氛围中，于150-170℃下搅拌反应4-6h；(3)冷却至60-80℃，并调节pH值至2-4，继续搅拌1.5-2.5h后冷却至室温，过滤得到固体物；(4)将固体物洗涤、干燥后，即得到所述的Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂。步骤(1)中，所述的(NH4)2PdCl4、CuCl2·2H2O、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸三钠及碳粉的重量份含量分别为25-28份、15-17份、12-15份、340-350份及30-32份，且每1mL乙二醇中加入0.4-0.5mg(NH4)2PdCl4。步骤(1)中，所述的碳粉为经过酸处理后的碳粉，酸处理过程为：将碳粉分散于硝酸中，经超声后，于85-95℃下冷凝回流5-7h，后经抽滤、洗涤、干燥、研磨即可。将碳粉预先经过酸处理，能够对碳粉表面进行亲水处理，增加其表面含氧基团，便于金属离子的负载。作为优选的技术方案，所述的碳粉的酸处理过程为：称取0.5-1.5g的碳粉分散于80-120mL的4-6mol/L的硝酸中，超声20-40min后，于85-95℃油浴中冷凝回流5-7h，同时伴随磁力搅拌，冷却至室温后抽滤洗涤，直到最后一滴滤液的pH值达到6.8-7.2。然后收集固体并置于真空干燥箱中，于120-140℃下干燥5-7h；干燥后，研磨，200目筛分，收集储存待用。步骤(1)中，所述的碳粉选自市售的VulcanXC-72碳粉或VulcanXC-72R碳粉。步骤(2)中，通过NaOH/EG溶液调节pH值，所述的NaOH/EG溶液中，NaOH的物质的量浓度为0.8-1.2mol/L。步骤(3)中，通过盐酸调节pH值，所述的盐酸中，HCl的物质的量浓度为0.8-1.2mol/L。室温为20-30℃。步骤(4)中，所述的干燥为真空干燥，该真空干燥的温度为55-65℃，时间为10-14h。一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂的应用，该催化剂用于对甲酸进行催化氧化。目前，进一步提高Pd基催化剂的活性及抗毒化能力的研究，主要从两大方面考虑：(1)通过Pd与其他金属的合金化；(2)制备特殊形貌结构的催化剂。其中，合金催化剂可以采用简易的工艺合成，并且极大地降低贵金属的用量，进而降低成本。经研究表明，三元催化剂相对于两元催化剂在组分、结构、电子性能调控方面表现得更加灵活，因此本专利技术选用三元催化剂。本专利技术克服传统Pd/C催化剂价格高、稳定性差的技术问题，制备出一种分散性好、贵金属用量低的新型Pd-Cu-Co/C三元催化剂，同时运用价格低廉的原料(NH4)2PdCl4、CuCl2·2H2O及Co(NO3)2·6H2O进行催化剂的制备，极大地降低了贵金属Pd的含量，进而降低了生产成本和使用成本，同时该催化剂具有优异的甲酸电氧化活性及稳定性。本专利技术催化剂中，Pd、Cu、Co三种金属组分间通过电子转移效应来调节活性组分的d带中心，进而提高催化剂的催化性能。其作用机理为：在甲酸的电氧化过程中，中间产物如CO的产生会毒化催化剂，从而降低催化剂的催化性能，而Cu、Co等过渡金属的加入能有效降低贵金属的d带中心，进而降低催化剂表面物种的吸附，从而便于毒化物种的脱附，促进甲酸的电氧化。本专利技术催化剂在制备时，采用“醇还原合成技术”这种高效、环境友好的技术方法，减少了合成过程中繁琐的工艺，同时提高了贵金属在碳载体上的分散性。其中，柠檬酸三钠作为稳定剂，乙二醇同时作为溶剂及还原剂，酸处理后的碳粉作为载体材料。反应过程分为两个阶段：第一阶段采用高温、高pH值条件进行反应，到了第二阶段，为了避免较高pH条件下纳米粒子间的相互排斥对合金纳米粒子负载效果的影响，将反应溶液进行冷却，并降低pH值，以保证金属纳米粒子良好的负载。相较于其它繁琐的催化剂制备方法，本专利技术采用简单易操作的“一锅液相还原法”，即将所有的反应前躯体加入反应容器中，控制合理的反应条件便可直接得到催化剂。与通过金属-非金属的助催化作用提高催化剂催化性能的方式相比，本专利技术Pd-Cu-Co/C三元催化剂通过三元金属之间的协同作用提高催化剂的催化性能，催化性能的提升效果明显。与现有技术相比，本专利技术具有以下特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Pd‑Cu‑Co/C三元燃料电池阳极催化剂，其特征在于，该催化剂中，Pd的质量百分含量为18‑23％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.8‑2.2:1.8‑2.2:1。

【技术特征摘要】
1.一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂，其特征在于，该催化剂中，Pd的质量百分含量为18-23％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.8-2.2:1.8-2.2:1。2.根据权利要求1所述的一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂，其特征在于，该催化剂中，Pd的质量百分含量为19-21％，Pd、Cu、Co的摩尔比为1.9-2.1:1.9-2.1:1。3.一种如权利要求1或2所述的Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)分别将(NH4)2PdCl4、CuCl2·2H2O、Co(NO3)2·6H2O及柠檬酸三钠加入至乙二醇中，混合均匀后加入碳粉，并搅拌均匀；(2)调节pH值至8-10，之后在氮气氛围中，于150-170℃下搅拌反应4-6h；(3)冷却至60-80℃，并调节pH值至2-4，继续搅拌1.5-2.5h后冷却至室温，过滤得到固体物；(4)将固体物洗涤、干燥后，即得到所述的Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂。4.根据权利要求3所述的一种Pd-Cu-Co/C三元燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的(NH4)2PdCl4、CuCl2·2H2O、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸三钠及碳粉的重量份含量分别为25-28份、15-17份、12-15份、340-350份及30-32份，且每1mL乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巧霞，李云华，杨洋，马宪印，李朋伟，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31