一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，1、将聚合物单体GMA加入一定量的稳定剂,反应,经过多次离心清洗得到聚合物PGMA；2、将聚合物PGMA加入一定量的乙二胺再反应,得到PGMA-ed；3、一定量的PGMA-ed溶于去离子水，超声一定时间，加入稳定剂，加入一定量的K2PdCl4，搅拌，调节pH,再加入还原剂，持续搅拌，真空干燥即得到具有较好的电化学性能，载体形貌特征为球形,均匀分布的直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料。

【技术实现步骤摘要】
一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法
本专利技术属于燃料电池阳极催化剂材料制备领域，尤其是涉及一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法。
技术介绍
当今时代，随着社会的不断发展，对能源的需求越来越大，全球化石资源不断减少，因此替代和绿色能源的发展已成为一个亟待研究的课题。燃料电池作为一种高效、清洁、环保的新电源发电技术，能够按照电化学方式直接将储存在燃料中的化学能转化为电能，被誉为21世纪的新能源发电技术之一。直接甲醇燃料电池，以可再生的甲醇为燃料、以空气为氧化剂、离子交换膜为电解质的燃料电池。相比于使用氢气作为燃料的燃料电池，DMFC更易于运输和储备，同时，DMFC具有能量转化率高，无环境污染，体积小，重量轻等优点，因而受到越来越多人们的关注，在航天、交通、通讯等各个领域都有着良好的应用前景。众所周知，电催化剂是燃料电池的核心所在，这也是限制燃料电池实现其商业化的关键所在。其中一个最主要的原因，就是由于使用Pt作为催化剂材料，从而造成了燃料电池的成本较高，这使得其难以被广泛地应用。为了实现直接甲醇燃料电池的大规模应用，大量的工作都集中在制备经济，有效的电催化剂，在这些措施中，高性价比的路线很受欢迎。在低Pt或无Pt催化剂中，已经开发出包括铂基合金，硫化物，过渡金属大环化合物中，过渡金属氧化物等。为了催化剂的固定，并进一步提高催化性能，碳基材料由于高的导电性，高稳定性，并且比表面积大通常被用来作为催化剂载体，像炭黑VulcanXC-72R，碳纳米管，纳米纤维和碳球。为了提高催化剂的活性，稳定性和寿命，研究人员一直在寻找新的载体材料。中国专利CN103474679A公开了一种直接甲酸燃料电池阳极催化剂及其制备方法，属于燃料电池催化剂领域。该催化剂组成为钌二价离子和聚乙烯吡咯烷酮形成的化合物保护的钯纳米颗粒，其中有效活性成分是Pd。本专利技术和其相比,直接将聚合物作为直接甲醇燃料电池催化剂载体负载金属纳米粒子,相对来说工艺方法简单,得到的形状规则,并且具有良好的催化活性.
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工艺相对简单，对生产设备要求低且甲醇燃料电池阳极催化剂的电化学性能优异的直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，采用以下步骤：(1)球形载体聚合物PGMA的制备聚合物单体GMA加入稳定剂，在40-140℃氮气条件下反应8-18小时，经过多次离心清洗得到聚合物PGMA；(2)球形载体聚合物PGMA环氧开环聚合物PGMA加入乙二胺,在50-120℃条件下反应8-18小时，得到PGMA-ed；(3)球形载体聚合物PGMA-ed负载金属钯将PGMA-ed溶于去离子水，超声处理后加入稳定剂以及K2PdCl4，使体系中Pd的含量为1-90wt％,持续搅拌，调节pH值在8-14，再以蠕动泵缓慢的加入还原剂，持续搅拌，真空干燥8-18小时，即制备得到直接甲醇燃料电池阳极催化剂。步骤(1)中聚合物单体与稳定剂的质量比为1：1。步骤(2)中聚合物PGMA与乙二胺之间的质量比为50％-500％。步骤(3)中PGMA-ed与稳定剂之间的质量比为10％-50％，采用的稳定剂可以是PVP、柠檬酸三钠、十六烷基三甲基溴化铵或EDTA。加入K2PdCl4使体系中Pd的含量为1-90wt％，优选20-40wt％。加入的还原剂为硼氢化钾、硼氢化钠或水合肼，还原剂的加入量为钯金属含量的5-50倍。调节pH值为8-11。除此之外，步骤(3)中还可以负载金属铂、金或银。与现有技术相比，本专利技术以聚合物PGMA为球形载体，形貌特征呈均匀规则，并且在碱性甲醇中具有良好的催化性能，聚合物呈形状规则的均一球形，球形结构能够增加比表面积,低密度,高比表面积和较佳电催化活性等特性,从动力学角度来讲,球形结构有足够的松弛度,可产生较大的电流密度,其粒径和壳厚对机械强度,吸附性能和电解质溶液的传质均有较大的影响,能够促进金属纳米粒子之间电子的转移，因此具有更高的催化活性，本专利技术并且制备工艺简单，适于产业化规模，具有较高的经济价值。附图说明图1为实施例1所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料的SEM图；图2为实施例1所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料的XRD图；图3为实施例1所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料在1.0MNaOH+1.0MCH3OH中的循环伏安图；图4为实施例1所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料在1.0MNaOH+1.0MCH3OH中的时间电流曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料制备方法，直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料Pd@PGMA-ed，含有Pd、C、N、H和O元素。上述的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料制备方法，具体包括以下步骤：(1)球形载体聚合物PGMA的制备10g聚合物单体GMA加入10g的稳定剂PVP或EDTA,AIBN,在20-140℃氮气条件下反应6-18小时,经过多次离心清洗得到聚合物PGMA。(2)球形载体聚合物PGMA环氧开环聚合物PGMA加入40ml的乙二胺在20-140℃条件下反应6-18小时,得到PGMA-ed。(3)球形载体聚合物PGMA-ed负载金属钯40mg的PGMA-ed溶于去离子水，超声30分钟，加入0.1g稳定剂柠檬酸三钠，加入K2PdCl4，持续搅拌，调节pH＝(8-14),再以蠕动泵缓慢的加入还原剂0.2gKBH4，持续搅拌，真空干燥。上述所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料Pd@PGMA-ed通过扫描电子显微镜进行观察，其在放大倍数为3000倍下获得的SEM图见图1所示，从图中可以看出球形载体相貌规则，分散良好。对此我们做了一个统计，对应是球形载体PGMA的粒径分布，可以看出粒径呈正态分布，得到的直径大小大约为850纳米。将上述所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料Pd@PGMA-ed。利用X射线衍射仪进行扫描，结果如图2所示，从图中可以看出，实线2是Pd/PGMA-ed，而虚线1是商业BASFPd/C。从图中可以看出，在2θ等于40.2°是对应Pd(100)面，在2θ等于46.8°是对应Pd(200)面，在2θ等于68.1°是对应Pd(220)面，在2θ等于82.1°是对应Pd(311)面，与商业BASFPd/C一致，从而证明得到的也是金属Pd。将上述所得的直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体材料Pd@PGMA-ed在电解池中测试电化学性能。图3是对应的Pd/PGMA-ed和商业BASFPd/C在1.0MNaOH+1.0MCH3OH中的循环伏安图。从图中开始看出，实线2是Pd/PGMA-ed，而虚线1是商业BASFPd/C甲醇开始氧化电位更早，大约从-0.7V开始氧化，而商业BASFPd/C从-0.65V开始氧化，从而证明在Pd/PGMA-ed中，甲醇更容易氧化。在CV的正扫过程中，对应的甲醇的一次氧化峰电流达到852.7mA/mg,与商业的BASFPd/C对应的717.1mA/mg相比性能大约提升了1.2倍。从而证明本专利技术在碱性甲醇溶液中更容易氧化并且氧化性能更好。图4是对应的Pd/PG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)球形载体聚合物PGMA的制备聚合物单体GMA加入稳定剂，在40‑140℃氮气条件下反应8‑18小时，经过多次离心清洗得到聚合物PGMA；(2)球形载体聚合物PGMA环氧开环聚合物PGMA加入乙二胺，在50‑120℃条件下反应8‑18小时，得到PGMA‑ed；(3)球形载体聚合物PGMA‑ed负载金属钯将PGMA‑ed溶于去离子水，超声处理后加入稳定剂以及K2PdCl4，持续搅拌，调节pH值在8‑14，再以蠕动泵缓慢的加入还原剂，持续搅拌，真空干燥8‑18小时，即制备得到直接甲醇燃料电池阳极催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)球形载体聚合物PGMA的制备聚合物单体GMA加入稳定剂，在40-140℃氮气条件下反应8-18小时，经过多次离心清洗得到聚合物PGMA；(2)球形载体聚合物PGMA环氧开环聚合物PGMA加入乙二胺，在50-120℃条件下反应8-18小时，得到PGMA-ed；(3)球形载体聚合物PGMA-ed负载金属钯将PGMA-ed溶于去离子水，超声处理后加入稳定剂以及K2PdCl4，持续搅拌，调节pH值在8-14，再以蠕动泵缓慢的加入还原剂，持续搅拌，真空干燥8-18小时，即制备得到直接甲醇燃料电池阳极催化剂。2.根据权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中聚合物单体与稳定剂的质量比为1：1。3.根据权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中聚合物PGMA与乙二胺之间的质量比为50％-500％。4.根据权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐群杰，刘其，范金辰，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31