碳载金属纳米催化剂制备装置及其制备方法，涉及金属纳米催化剂。所述制备装置设有电化学液相合成反应器，电化学液相合成反应器内设有槽体，槽体内注入反应液，槽体作为碳载金属纳米催化剂的合成场所，槽体内平行放置一对本体电极板，分别作为阴极和阳极，阴极与阳极通过导线与电化学工作站测试端口连接，电化学液相合成反应器置于超声波发生器池体内，碳载体悬浮液及目标金属的盐溶液的混合液。所述制备方法：调节电化学液相合成反应器中一对本体电极之间的电极间距；利用超声波辐射使碳黑颗粒与金属离子混合均匀，并使碳黑颗粒保持悬浮状态，在碳载体悬浮液及目标金属盐溶液的混合液中进行方波电位处理，得碳载金属纳米催化剂。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属纳米催化剂，尤其是涉及一种碳载金属纳米催化剂制备装置及其 制备方法。
技术介绍
长期以来，由于其优异的催化活性以及稳定性，以钼及其合金为代表的贵金属催 化剂一直是石油化工、航空航天、能源环境中不可替代的催化剂。而随着工业化进程的深 入，环境污染的影响日渐明显，电能作为一种高效清洁的能源受到了更多的重视。而如何 更好地实现化学能与电能之间的高效转换则是关键问题。碳载钼基纳米催化剂是燃料电 池、电催化等重要领域中广泛使用的催化剂，近年来得到了广泛深入研究。进一步提高碳 载钼基纳米催化剂的性能、并实现高性能催化剂的量产是该领域的重大挑战。提高钼基纳 米催化剂的活性可通过改变其大小、组成，以及改变催化剂纳米粒子的形貌，即控制表面原 子排列结构来实现（参见文献：Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51，4641 - 4643 ;J. Phys. Chem. C. 2009, 114, 442-453 ;Nanoscale. 2011，3, 2054-2073)，电化学液相合成反应器数的优势在 于可以实现催化剂的电化学批量制备。 现有的制备碳载钼基纳米催化剂中的方法主要有湿化学液相还原法、胶体法和化 学保护剂法等。湿化学液相还原法是将载体均匀分散在特定溶剂中，加入一定的贵金属盐 作为前驱体，如氯钼酸等，在一定的温度和pH下，通过加入化学还原剂混合即可得到所需 要的碳载催化剂，但往往由于溶剂，pH值等条件选择不当，会影响催化剂颗粒的大小、分散 性和颗粒分布的均匀性（参见文献：J. Power Sources, 2002, 105,13-19);胶体法是在特 定的溶剂中，利用一定的还原剂将贵金属盐还原为均匀分散在溶剂中的胶体粒子，然后将 载体用溶剂分散成浆液，加入到胶体溶液中，混合制备得到负载型贵金属催化剂；（参见文 献：Chem. Mater.，2000, 12, 1622-1627.);化学保护剂法是通过表面活性剂或者其它有机 大分子作保护剂制备高度分散的贵金属纳米粒子，并将其负载到载体上，该方法对溶剂、表 面活性剂或保护剂及操作条件要求很高，同时操作复杂，后续的研究表明活性剂或保护剂 去除过程繁琐且很难除尽、从而影响其催化性能（参见文献：J. Electrochem. Soc.，2002， 149, A1299-A1304 ;Chem. Phys. Chem, 2012, 13, 709-715)。电化学方法可以在导电基底表面 制备具有密度台阶位的金属纳米催化剂，具有很高的催化活性和稳定性，如高指数晶面钼 二十四面体纳米晶体及其合金催化剂（参见文献：Science，2007, 316, 732-735 ;Chemical Science，2012, 3, 1157-1161)，但受电极二维表面的限制，产量十分有限（最多为一个表面 单层）不能批量制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可批量制备碳载高密度台阶位金属纳米催化剂的碳 载金属纳米催化剂制备装置及其制备方法。 所述碳载金属纳米催化剂制备装置设有电化学液相合成反应器，电化学液相合成 反应器内设有槽体，槽体内注入反应液，槽体作为碳载金属纳米催化剂的合成场所,槽体内 平行放置一对本体电极板，分别作为阴极和阳极，阴极与阳极通过导线与电化学工作站测 试端口连接，电化学液相合成反应器置于超声波发生器池体内，碳载体悬浮液及目标金属 的盐溶液的混合液。 所述金属盐溶液可选自含钼、钯、金、银等中至少一种的金属盐。 所述电化学液相合成反应器可采用聚四氟乙烯等硬质绝缘材料。 所述电化学液相合成反应器是以本体电极作为反应器中的电极，置于反应器两 端，通过调节施加到电极上的方波电位调制两电极间的电场，制备碳载高密度台阶位金属 纳米催化剂的电化学液相合成体系。 所述碳载体可选自碳黑、石墨烯、微孔碳、介孔碳、多孔碳、碳纳米管等中的一种。 所述碳载金属纳米催化剂的制备方法，采用所述碳载金属纳米催化剂制备装置， 包括以下步骤： 1)调节电化学液相合成反应器中一对本体电极之间的电极间距； 2)利用超声波辐射使碳黑颗粒与金属离子混合均匀，并使碳黑颗粒保持悬浮状 态，在碳载体悬浮液及目标金属盐溶液的混合液中进行方波电位处理，得碳载金属纳米催 化剂。 在步骤1)中，所述本体电极可为玻碳电极、钼片电极、钯片电极、金片电极、银片 电极等中的一种；所述电极间距可为1. 5?2. 5mm，优选2mm。 在步骤2)中，所述方波电位处理的具体方法可为：控制碳载体溶液的浓度，以及 碳载体与目标金属盐溶液的相对浓度，调节负载型催化剂金属的载量；在电极两端首先施 加恒定槽压成核，随后加入支持电解质混合均匀后施加方波电位调控电场，控制合成时间， 制得金属纳米粒子粒径为5?100nm的碳载金属纳米催化剂； 所述碳载体溶液的浓度可为0. 2?2mg/ml ;所述目标金属盐溶液可选自含钼金属 盐、钯金属盐、金金属盐、银金属盐等中的至少一种；所述恒定槽压可为一 IV ;所述方波电 位调控电场可采用两电极体系调控槽压，方波的上限电位为3?5V，下限电位为一 5?一 3V，方波频率为1?10Hz。 所述碳载体材料可选自碳黑、石墨烯、微孔碳、介孔碳、多孔碳、碳纳米管等中的一 种。 所述碳载金属纳米催化剂的制备方法制备的碳载金属纳米催化剂可作为电催化 剂用于燃料电池中，可明显提高燃料电池的输出电压和功率，增强催化剂的抗毒化能力，减 小贵金属的用量。电化学液相合成反应器中制备的碳载高密度表面台阶位金属纳米催化剂 可作为电催化剂用于有机小分子电催化氧化中，可明显提高催化剂的催化活性。 本专利技术在电化学液相合成反应器中批量制备碳载金属纳米催化剂的方法：以均匀 分散的碳载体悬浮液及目标金属的盐溶液的混合液作反应液，溶液位于两电极之间，通过 在两电极上施加方波电位调制电场，在混合液中的碳载体上还原生成金属纳米粒子。通过 改变施加的电位和时间调控金属纳米粒子的表面结构和尺寸，通过改变碳载体以及金属盐 溶液的相对浓度调节负载型催化剂金属的载量，实现碳载高密度表面台阶位金属纳米催化 剂的可控制备。 与现有的制备碳载纳米催化剂的方法相比，本专利技术具有以下突出的优点： 1.电化学液相合成反应器结构简单，操作方便，可以批量生产。 2.电化学液相合成反应器中制备的碳载纳米钼基催化剂与现有的商业碳载钼相 t匕，具有较高的表面台阶位密度，方波电位调控电场可以控制纳米粒子表面结构，因此决定 了本专利技术制备的碳载纳米钼基催化剂的催化活性要显著优于现有的对应的商业碳载钼基 催化剂。 3.电化学液相合成反应器中制备的碳载纳米钼基催化剂，其粒径大小可控，通过 调节反应物的浓度、调制电压以及制备时间，粒径范围可在5?100nm之间变化。 4.电化学液相合成反应器中制备的碳载纳米钼基催化剂，通过改变碳载体以及金 属盐溶液的相对浓度可调节贵金属的负载量。 5.电化学液相合成反应器中制备的碳载纳米钼基催化剂可广泛应用于燃料电池、 电催化等重要领域。 【附图说明】 图1为本专利技术实施例1中超声波辅助电化学本文档来自技高网...
【技术保护点】
碳载金属纳米催化剂制备装置，其特征在于设有电化学液相合成反应器，电化学液相合成反应器内设有槽体，槽体内注入反应液，槽体作为碳载金属纳米催化剂的合成场所，槽体内平行放置一对本体电极，分别作为阴极和阳极，阴极与阳极通过导线与电化学工作站测试端口连接，电化学液相合成反应器置于超声波发生器池体内，碳载体悬浮液及目标金属的盐溶液的混合液。
【技术特征摘要】
1. 碳载金属纳米催化剂制备装置，其特征在于设有电化学液相合成反应器，电化学液 相合成反应器内设有槽体，槽体内注入反应液，槽体作为碳载金属纳米催化剂的合成场所， 槽体内平行放置一对本体电极，分别作为阴极和阳极，阴极与阳极通过导线与电化学工作 站测试端口连接，电化学液相合成反应器置于超声波发生器池体内，碳载体悬浮液及目标 金属的盐溶液的混合液。2. 如权利要求1所述碳载金属纳米催化剂制备装置，其特征在于所述金属盐溶液选自 含钼、钯、金、银中至少一种的金属盐。3. 如权利要求1所述碳载金属纳米催化剂制备装置，其特征在于所述电化学液相合成 反应器采用聚四氟乙烯。4. 如权利要求1所述碳载金属纳米催化剂制备装置，其特征在于所述碳载体选自碳 黑、石墨烯、微孔碳、介孔碳、多孔碳、碳纳米管中的一种。5. 碳载金属纳米催化剂的制备方法，其特征在于采用如权利要求1?4中任一所述碳 载金属纳米催化剂制备装置，包括以下步骤： 1) 调节电化学液相合成反应器中一对本体电极之间的电极间距； 2) 利用超声波辐射使碳黑颗粒与金属离子混合均匀，并使碳黑颗粒保持悬浮状态，在 碳载体悬浮液及目标金属盐溶液的混合液中进行方波电位处理，得碳载金属纳米催化剂。6. 如权利要求5所述碳载金属...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙世刚，黄龙，陈声培，黄蕊，林燕芬，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35
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