一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开的可见光响应的低温燃料电池中催化阳极由导电基底和负载在导电基底上的催化剂层组成，导电基底由铜、导电玻璃或碳材料制成，催化剂层由二硫化钨纳米片粉末和负载在二硫化钨纳米片粉末上的金纳米催化剂组成；该催化阳极的制备方法步骤简单，可操作性强。该催化阳极在酸性和碱性电解液中均具有良好的化学稳定性、高抗腐蚀性及优异的抗毒化能力，且金纳米催化剂在硫化钨纳米片表面高度分散、不团聚，同时金纳米催化剂和二硫化钨纳米片载体之间的相互作用能够明显增强该催化阳极对醇类小分子的催化性能和可见光响应性能，更重要的是，在可见光照射下该催化阳极对醇类小分子的催化活性与无光照条件下该催化阳极的催化活性相比有明显提高。

A Catalytic Anode for Visible Light Response Low Temperature Fuel Cell and Its Preparation Method

The catalytic anode in the low temperature fuel cell with visible light response disclosed by the invention consists of a conductive substrate and a catalyst layer supported on the conductive substrate. The conductive substrate is made of copper, conductive glass or carbon material, and the catalyst layer is composed of tungsten disulfide nanosheet powder and gold nanocatalyst supported on tungsten disulfide nanosheet powder. The preparation method of the catalytic anode is simple. Strong operability. The catalytic anode has good chemical stability, high corrosion resistance and excellent toxicity resistance in acidic and alkaline electrolytes. The gold nanocatalyst is highly dispersed on the surface of tungsten sulfide nanosheets and does not agglomerate. At the same time, the interaction between the gold nanocatalyst and the support of tungsten disulfide nanosheets can significantly enhance the catalytic performance of the catalytic anode for small alcohols. The photocatalytic activity of the catalytic anode for alcohols under visible light irradiation is much higher than that of the catalytic anode under no light irradiation.

【技术实现步骤摘要】
一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极及其制备方法
本专利技术涉及一种电极及其制备方法，具体是一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极及其制备方法。
技术介绍
作为一种将燃料的化学能直接转换为电能的电池技术，燃料电池特别是甲醇燃料电池具有高效率、低排放、绿色无污染等诸多优点，已引起科技界和产业界的高度重视。在燃料电池中，贵金属铂或者铂的合金一直充当阳极氧化的最常用的催化剂。然而纯铂容易被一氧化碳等中间产物毒化，且纯铂催化剂的催化性能和稳定性都比较差，这些缺点限制了铂催化剂在实际中的应用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极及其制备方法，该催化阳极在酸性和碱性电解液中均具有良好的化学稳定性、高抗腐蚀性及优异的抗毒化能力，且金纳米催化剂在硫化钨纳米片表面高度分散、不团聚，同时金纳米催化剂和二硫化钨纳米片载体之间的相互作用能够明显增强该催化阳极对醇类小分子的催化性能和可见光响应性能，更重要的是，在可见光照射下该催化阳极对醇类小分子的催化活性与无光照条件下该催化阳极的催化活性相比有明显提高。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极，由导电基底和负载在导电基底上的催化剂层组成，所述的导电基底由铜、导电玻璃或碳材料制成，所述的催化剂层由二硫化钨纳米片粉末和负载在二硫化钨纳米片粉末上的金纳米催化剂组成。本专利技术以具有层状结构的二硫化钨纳米片粉末作为载体，将金纳米催化剂负载在二硫化钨纳米片表面形成催化剂层，得到一种新型的对可见光响应的金-二硫化钨催化阳极。本专利技术采用的二硫化钨纳米片具有独特的二维结构、优异的光学性能、高抗腐蚀性和结构稳定性，二硫化钨纳米片粉末作为载体一方面可以提高金纳米催化剂的分散度，阻止金纳米催化剂在其表面团聚，另一方面，纳米尺寸的二硫化钨纳米片具有明显的半导体性质，随着二硫化钨纳米片厚度减少，特别是小于100nm以后，二硫化钨纳米片表现出明显优异的可见光响应性能。本专利技术可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的特点是金纳米催化剂在二硫化钨纳米片表面具有较高的分散性和结构稳定性，在酸性和碱性电解液中均具有良好的化学稳定性、高抗腐蚀性及优异的抗毒化能力，且金纳米催化剂和二硫化钨纳米片载体之间的相互作用能够明显增强该催化阳极对醇类小分子的催化性能和可见光响应性能。在没有光照条件下，该催化阳极中催化剂层的金纳米催化剂能够对甲醇等醇类小分子起到明显的电催化性能；在可见光照射下，二硫化钨纳米片被可见光激发，具有很强的催化氧化能力，也能够直接参与甲醇等小分子醇的催化氧化。也就是说，可见光照射下，该金-二硫化钨催化阳极显示出电催化和光催化的协同作用，该协同作用大幅提高了金纳米催化剂对醇类小分子的催化氧化。更重要的是，在可见光照射下该催化阳极对醇类小分子的催化活性与无光照条件下该催化阳极的催化活性相比有明显提高。作为优选，所述的金纳米催化剂为均匀分散在所述的二硫化钨纳米片粉末上的金纳米粒子。一种上述可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的制备方法，包括以下步骤：（1）采用机械剥离的方法制备二硫化钨纳米片粉末；（2）将金纳米催化剂负载在二硫化钨纳米片粉末表面，得到复合催化剂；（3）将复合催化剂以1～2mg/mL的料液比分散于乙醇-水的混合溶液中，配制出复合催化剂的分散液，将该分散液涂覆在导电基底表面，自然晾干，即得可见光响应的低温燃料电池中催化阳极。作为优选，步骤（1）中，二硫化钨纳米片粉末的制备过程为：将块状商业二硫化钨粉末以1～2mg/mL的料液比分散于2-甲基吡咯烷酮中，得到二硫化钨粉末的分散液，将该分散液置于细胞粉碎仪中持续粉碎20～40分钟，此后静置15～30分钟，离心后得到固体，用乙醇洗涤多次后烘干，即得到所述的二硫化钨纳米片粉末。作为优选，步骤（2）中，复合催化剂的制备过程为：将制备的二硫化钨纳米片粉末以1～2mg/mL的料液比分散于水-甲醇的混合溶液中，该水-甲醇的混合溶液由水和甲醇以1:2的体积比混合而成；再向其中加入水-甲醇的混合溶液体积6～8%的浓度为0.0122～0.0243mol/L的氯金酸水溶液，得到混合溶液，搅拌条件下将该混合溶液放置于紫外灯下照射3～6小时，将得到的产物离心20～40分钟后真空烘干，即得到金-二硫化钨复合催化剂。本专利技术可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的制备方法步骤简单，可操作性强。通过光还原的方法将金纳米催化剂负载在二硫化钨纳米片粉末上形成金-二硫化钨复合催化剂，为后续通过物理负载的方法将该复合催化剂涂覆在导电基底上做准备。进一步地，步骤（3）中，可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的制备过程为：将制备的金-二硫化钨复合催化剂以1～2mg/mL的料液比分散于乙醇-水的混合溶液中，该乙醇-水的混合溶液由乙醇和水以1:1的体积比混合而成；超声分散1～2小时后，得到悬浊液，将该悬浊液以60～80μL/cm2的用量涂覆在导电基底表面，自然晾干，得到金-二硫化钨催化阳极，即为可见光响应的低温燃料电池中催化阳极。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术以具有层状结构的二硫化钨纳米片粉末作为载体，将金纳米催化剂负载在二硫化钨纳米片表面形成催化剂层，得到一种新型的对可见光响应的金-二硫化钨催化阳极。本专利技术可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的特点是金纳米催化剂在二硫化钨纳米片表面具有较高的分散性和结构稳定性，在酸性和碱性电解液中均具有良好的化学稳定性、高抗腐蚀性及优异的抗毒化能力，且金纳米催化剂和二硫化钨纳米片载体之间的相互作用能够明显增强该催化阳极对醇类小分子的催化性能和可见光响应性能。在没有光照条件下，该催化阳极中催化剂层的金纳米催化剂能够对乙醇等醇类小分子起到明显的电催化性能；在可见光照射下，二硫化钨纳米片被可见光激发，具有很强的催化氧化能力，也能够直接参与乙醇等小分子醇的催化氧化。也就是说，可见光照射下，该金-二硫化钨催化阳极显示出电催化和光催化的协同作用，该协同作用大幅提高了金纳米催化剂对醇类小分子的催化氧化。更重要的是，在可见光照射下该催化阳极对醇类小分子的催化活性与无光照条件下该催化阳极的催化活性相比有明显提高。附图说明图1为实施例1中制备的金-二硫化钨（Au-WS2）复合催化剂的TEM形貌图；图2为可见光条件下光响应的实施例1的金-二硫化钨催化阳极在由浓度1.0mol/L的乙醇和浓度0.5mol/L的氢氧化钾组成的溶液中的光电流图；图3为可见光条件下光响应的实施例1的金-二硫化钨催化阳极在由浓度1.0mol/L的乙醇和浓度0.5mol/L的氢氧化钾组成的溶液中的循环伏安图。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例1的可见光响应的低温燃料电池中催化阳极，由导电基底和负载在导电基底上的催化剂层组成，导电基底由玻碳电极制成，催化剂层由二硫化钨纳米片粉末和负载在二硫化钨纳米片粉末上的金纳米催化剂组成；该催化阳极的制备方法包括以下步骤：（1）将50mg块状商业二硫化钨粉末分散于50mL2-甲基吡咯烷酮中，得到二硫化钨粉末的分散液，将该分散液置于细胞粉碎仪中，细胞粉碎仪功率为150瓦，设置使用功率为40%，超声开5秒、关5秒，持续粉碎30分钟，此后静置20分钟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极，由导电基底和负载在导电基底上的催化剂层组成，其特征在于：所述的导电基底由铜、导电玻璃或碳材料制成，所述的催化剂层由二硫化钨纳米片粉末和负载在二硫化钨纳米片粉末上的金纳米催化剂组成。

【技术特征摘要】
1.一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极，由导电基底和负载在导电基底上的催化剂层组成，其特征在于：所述的导电基底由铜、导电玻璃或碳材料制成，所述的催化剂层由二硫化钨纳米片粉末和负载在二硫化钨纳米片粉末上的金纳米催化剂组成。2.根据权利要求1所述的一种可见光响应的低温燃料电池中催化阳极，其特征在于：所述的金纳米催化剂为均匀分散在所述的二硫化钨纳米片粉末上的金纳米粒子。3.一种权利要求1或2所述的可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）采用机械剥离的方法制备二硫化钨纳米片粉末；（2）将金纳米催化剂负载在二硫化钨纳米片粉末表面，得到复合催化剂；（3）将复合催化剂以1～2mg/mL的料液比分散于乙醇-水的混合溶液中，配制出复合催化剂的分散液，将该分散液涂覆在导电基底表面，自然晾干，即得可见光响应的低温燃料电池中催化阳极。4.根据权利要求3所述的可见光响应的低温燃料电池中催化阳极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，二硫化钨纳米片粉末的制备过程为：将块状商业二硫化钨粉末以1～2mg/mL的料液比分散于2-甲基吡咯烷酮中，得到二硫化钨粉末的分散液，将该分散液置于细胞粉碎仪中持续粉碎20～40分钟，此...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟春阳，朱明山，胡佳月，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33