燃料电池催化剂、制备方法及复合纳米碳材料技术

本发明专利技术公开一种复合纳米碳材料及燃料电池催化剂，将高纯石墨棒钻孔，在孔中填入金属粉末，金属粉末和碳的质量比在8-9:1-2.将填好金属粉末的碳棒放入真空电弧放电装置中，在真空状态下充入氦气或氩气等惰性气体，加电压30-60 KV，通入电流60-150 A，使石墨棒放电收集电弧放电得到的包含金属纳米粒子的纳米碳黑。将得到金属纳米粒子复合纳米碳黑和氯铂酸进行反应，再经过一定温度的还原气体热处理和惰性气体的热处理，最终得到高活性高稳定性的燃料电池铂合金催化剂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开一种燃料电池催化剂、制备方法及碳纳米材料，涉及用电弧法制备金 属纳米粒子复合纳米碳材料，以及用该材料制备燃料电池催化剂的方法。
技术介绍
燃料电池是直接将化学能转化为电能的装置，因其具有能量转换效率高、环境友 好、能量密度高等优点，被认为是最有望替代传统化石燃料的可再生能源。目前，燃料电池 催化剂主要为铂或其合金纳米催化剂最佳。然而，铂资源稀缺、价格昂贵，降低催化剂的成 本，制备低载量、高催化活性、高稳定性的铂基催化剂是实现燃料电池商业化的关键。 目前，氧还原阴极催化剂包括钼金属、钼基合金和非钼基材料，如非钼贵金属、硫 族金属催化剂和过渡金属含氮化合物等。铂基催化剂是目前业界公认的效率最高，性能最 好的燃料电池的电催化剂。目前铂基催化剂的主要合成方法有水热和溶剂热法，溶胶凝胶 法，电化学沉积法，氧化还原沉积法，物理法。 铂基催化剂的高成本以及使用寿命，是制约铂基催化剂大量应用于燃料电池的两 大主要因素。首先，成本太高。铂的储量少，价格昂贵，成本大约占总成本的30~45%。因 此，在保持相对高催化活性的前提下，降低铂的用量或者提高铂的利用率，以及研发非铂催 化剂来替代铂成为了急需解决的问题之一。美国能源部在燃料电池车的测试中在阴极端铂 的用量达到了 〇. 4 mg cm 2,而这些催化剂的寿命任然较短，少于5000小时，达不到应用的 目标。如何在不损失性能和寿命的情况下降低阴极端铂的用量到低于0.1 mg cm 2从而降 低电池的成本，是目前催化剂研究的主要课题。 其次，催化剂寿命以及抗毒化问题。制氢过程中由于碳氧化物、硫氧化物或者氮氧 化物等杂质的存在，铂容易被毒化导致活性降低；PEMFC中阴极发生的氧还原反应有很高 的过电位，大多数金属在水溶液中不稳定，电极表面易形成氧或者多种含氧离子的吸附，或 生成氧化膜，铂容易被氧化从而降低活性；采用甲醇为燃料时，由于甲醇渗透，在阴极形成 混合电位，降低电池的工作性能，另外还要求催化剂必须能经受住5000小时内十万次的循 环以及一万次启动和停堆的测试。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种采用电弧法制备复合金属纳米粒子的纳 米碳材料。 本专利技术的另一目的是将复合纳米碳材料，与铂结合制备得到高铂利用率、高催化 活性和稳定性的燃料电池催化剂。 为达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的： 一种电弧法制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料(也称作包含金属M纳米粒子的碳 纳米材料)，包括以下步骤制备： (1)将石墨棒钻孔，在孔中填入金属M粉末(可以是铁，钴，镍，铜等)，金属M粉末和碳的 质量比在8-9:1-2 ; (2) 将填好金属M粉末的石墨棒放入真空电弧放电装置中，在真空状态下充入惰性气 体，加电压30-60 KV，通入电流60-150 A，使石墨棒放电； (3) 收集电弧放电得到的包含金属M纳米粒子的纳米碳黑。 上述电弧法制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料，在制备电池催化剂的应用。 -种燃料电池碳载铂合金催化剂，具体为一种复合纳米碳材料负载有序铂合金催 化剂，由碳纳米材料作为载体，和铂合金纳米粒子作为活性组分组成，其质量百分比组成 为：碳：60-80%，金属M :铁，钴，镍，铜等，1-15%，铂：12-20%。所述碳和金属M来自电弧法制 备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料，催化剂中的钼合金纳米粒子尺寸在5-10 nm。催化剂 中钼合金纳米粒子是包含原本碳纳米材料中复合的金属纳米粒子，到催化剂这步，应将钼 合金纳米粒子视为一部分，而碳视为单独的载体。 前述燃料电池碳载铂合金催化剂制备方法，包括以下步骤： (1)将电弧法制得的金属M纳米粒子复合纳米碳材料加入去离子水或蒸馏水中，超声 分散0. 5-2. 5小时，然后加入氯钼酸溶液，形成悬浮液，使得悬浮液中碳、金属纳米粒子和 铂的质量比在（70-80) : (1-15) : (12-20)范围内。 (2)在60-85Γ温度下，恒温搅拌回流反应1-3小时，将溶液蒸干，得到催化剂前驱 体粉末，再将催化剂前驱体粉末在氢气与惰性气体混合气下预处理，将预处理得到的粉末 在惰性气体气氛下热处理，得到铂合金催化剂。 进一步，所述的催化剂中的载体为电弧法制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材 料。所述氯铂酸溶液的浓度在〇. 01-0. 1摩尔/升。所述催化剂前驱体粉末预处理气氛中，惰 性气体为氮气，其中氮气和氢气的体积比为（80-95) :(5-20)，预处理温度为100-250 °C， 时间为2-4小时。催化剂热处理使用的惰性气体为氮气或者氦气，热处理温度为400-700 °C，时间为2-4小时。所述的金属M纳米粒子，可以是铁，钴，镍，铜中一种，其与碳纳米材料 的质量比在（1-15) : (70-80)。 本专利技术通过电弧放电法制备得到包含有金属纳米粒子的碳纳米材料(金属M纳米 粒子复合纳米碳材料)，制备过程简单，材料的产量大，得到的金属纳米粒子和碳纳米材料 尺寸规则，颗粒均匀，金属纳米粒子在纳米碳上分布均匀，不易团聚。 由上述材料制备铂合金催化剂，是通过在水溶液中反应，还原性气体预处理，然后 再高温热处理得到，制备过程中原料损失小，可以忽略不计，制备过程简单，制备成本低廉， 适合大量生产，不需要添加任何表面活性剂或稳定剂，得到的铂合金纳米颗粒在碳载体上 分布均匀，具有高的铂利用率，优秀的电催化活性和稳定性。【附图说明】 图1是本专利技术制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料(也称作复合金属纳米粒子 的碳纳米材料）的拉曼光谱图。 图2是本专利技术制备的复合铁纳米粒子的碳纳米材料的扫描电镜图。 图3是本专利技术制备的复合铁纳米粒子的碳纳米材料的透射电镜图。 图4是本专利技术制备的复合铁纳米粒子纳米碳材料作为载体制备的铂铁合金催化 剂的X射线衍射结果。 图5是本专利技术制备的复合铁纳米粒子纳米碳材料作为载体制备的铂铁合金催化 剂在0. lmol/L的高氯酸溶液中，氮气气氛下的循环伏安结果，扫速为0.1 V/s。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步说明： 实施例：本专利技术得到的燃料电池铂催化剂由采用电弧法制备复合金属纳米粒子的纳米 碳材料作为原料，再由其与铂结合制备得到高铂利用率，高催化活性和稳定性的燃料电池 催化剂，其质量百分比组成为：碳：60-80%，廉价金属M :铁，钴，镍，铜等，1-15%，铂：12-20%。 -种电弧法制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料，主要步骤如下： (1) 将尚纯石墨棒(碳棒)钻孔，在孔中填入金属粉末(可以是铁，钻，银，铜等）金属粉末 和碳的质量比在8-9:1-2 ; (2) 将填好金属粉末的碳棒放入真空电弧放电装置中，在真空状态下充入氦气或氩气 等惰性气体。加电压30-60 KV，通入电流60-150 A，使石墨棒放电； (3) 收集电弧放电得到的包含金属纳米粒子的纳米碳黑。 上述电弧法制备的金属M纳米粒子复合纳米碳材料，在制备电池催化剂的应用， 可以制备铂合金催化剂或其他电池催化剂。 -种燃料电池碳载铂合金催化剂制备方法，其包括以下步骤： (1) 称取上述电弧法制得复合金属纳米粒子的碳材料70-100 mg置于烧杯中，加入 10-20 mL蒸馏水或去离子水，超声分散0. 5-2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池碳载铂合金催化剂，其特征在于：包括纳米碳、金属M及铂，其质量百分比组成为：纳米碳60‑80%，金属M 1‑15%，铂 12‑20%，铂和金属M形成合金纳米粒子并均匀有序的分布负载于纳米碳上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李恒毅，朱常锋，
申请(专利权)人：厦门福纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35