本发明专利技术公开了一种铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料的制备。具体是先构建具有笼状核壳结构的锌铁层状双金属氢氧化物，后以碳球@锌铁层状双金属氢氧化物为载体，通过硼氢化钠还原法将铂纳米粒子负载到载体上，得到结构新颖的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物。锌铁层状双金属氢氧化物具有巨大的比表面积，优异的纳米粒子分散性，以此为载体制备的Pt催化剂，Pt纳米粒子分散均匀，粒径小，从而提高了催化剂的电化学活性表面积，利于甲醇的吸附氧化。锌铁层状双金属氢氧化物具有丰富的多维孔道结构，可以有效地暴露催化剂的活性位点，显著地促进甲醇氧化过程中电子的传递，提高直接甲醇燃料电池的工作效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于复合催化剂制备领域，特别涉及一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。背景材料直接甲醇燃料电池(DMFC)由于具有结构简单、能量密度高、环境友好等特点而受到越来越广泛的研究与应用。阳极催化剂在电池整体性能上起到了决定性的作用，贵金属铂(Pt)对甲醇有着较好的吸附催化能力，是目前DMFC中最常用的阳极催化剂材料。但Pt在催化甲醇氧化的过程中，甲醇未能完全氧化会产生CO等中间产物，而CO会吸附在Pt的表面，占据其活性位点，阻挡了甲醇的吸附氧化，从而降低其催化性能。其次由于Pt储量的有限，使得DMFC整体成本过高，这些都是限制其商业化发展的因素。层状双金属氢氧化物(LDH)是一类具有层状结构的新型无机功能材料，其化学组成可以表示为[MⅡ1-xMⅢx(OH)2]x+[An-x/n]x-·mH2O，其中MⅡ为二价金属阳离子；MⅢ为三价金属阳离子；An-为阴离子，层间无机阴离子不同，LDH的层间距不同。在LDH晶体结构中，由于受晶格能最低效应及其晶格定位效应的影响，使得金属离子在层板上以一定方式均匀分布。由于LDH特殊的结构以及优异的氧化还原特性，其作为超级电容器电极材料以及催化剂的研究已有大量报道。研究结果表明，以LDH作为载体负载Pt催化剂，不仅可以促进Pt纳米粒子的均匀分布，提高其分散稳定性，使其暴露出更多的活性位点；还可以与Pt催化剂之间存在协同作用，提高甲醇的扩散系数，加速对甲醇的催化氧化。这是由于LDH具有丰富的孔道结构，较大的比表面积，良好的粒子分散性，以此为载体来负载催化剂，可以提高复合物的催化性能和循环稳定性，利于甲醇燃料电池的商业化发展。在甲醇氧化过程中，甲醇不完全氧化会产生中间产物如CO等物质，CO会吸附在Pt的表面，占据其活性位点，从而抑制甲醇的吸附氧化。中国专利CN201510398186.5公开了一种铂/层状双金属氧化物甲醇燃料电池催化剂制备方法，得到铂/层状双金属氧化物复合材料Pt/LDO，其中，层板孔道结构丰富，比表面积大，粒子分散性好且结构稳定；Pt/LDO作为甲醇燃料电池的阳极催化剂，对甲醇氧化表现出优异的催化性能和稳定性。虽然LDO具有较高的比表面积，但其碱性较强，适用范围较窄。
技术实现思路
本专利技术提供了一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。首先，构建具有笼状核壳结构的碳球@锌铁层状双金属氢氧化物；其
次，以碳球@锌铁层状双金属氢氧化物为载体，通过硼氢化钠还原法将铂纳米粒子负载到载体上，得到结构新颖的铂/锌铁层状双金属氢氧化物。将铂/锌铁层状双金属氢氧化物作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂，该材料对甲醇氧化具有优异的催化性能(图2)和稳定性(图3)，利于甲醇燃料电池的商业化发展。对于铂/锌铁层状双金属氢氧化物催化剂而言，锌铁层状双金属氢氧化物具有巨大的比表面积，优异的纳米粒子分散性，以此为载体制备的Pt催化剂，Pt纳米粒子分散均匀，粒径小，从而提高了催化剂的电化学活性表面积，利于甲醇的吸附氧化。此外，锌铁层状双金属氢氧化物具有丰富的多维孔道结构，可以有效地暴露催化剂的活性位点，显著地促进甲醇氧化过程中电子的传递，提高直接甲醇燃料电池的工作效率。在甲醇氧化过程中，会产生CO等中间产物，CO会吸附在Pt的表面，占据其活性位点，从而抑制甲醇的吸附氧化。层状双金属氢氧化物可在较低的电位下促进水的活化分解，产生含氧物质，从而促进CO等中间产物的氧化去除，使得两侧Pt表面的活性位点得以释放，利于甲醇的氧化。本专利技术为了克服铂/层状双金属氧化物复合材料Pt/LDO碱性较强，需要煅烧，成本高，难以工业化推广的问题，试图设计一种与Pt/LDO具有相似性能的铂/层状双金属氢氧化物复合材料Pt/LDH，但对双金属元素种类进行大规模筛选后，结果不甚理想；更重要的是，由于LDH具有很小的比表面积(约5-20m2/g)，其负载的Pt粒子较少，难以满足直接甲醇燃料电池的催化要求；而多层排布后，层状双金属氢氧化物薄层又会杂乱无章的堆积在一块，遮蔽部分催化剂的活性位点。为此，本专利技术根据LDH具有晶体结构的特点,充分考虑成核与晶化间的关系的基础上，全面研究了结构排布、成分组成对LDH的结构、晶粒尺寸及均匀性的影响，提出以碳球为核心，构建具有笼状核壳结构的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。结果表明：制备的产品显著地促进甲醇氧化过程中电子的传递，提高直接甲醇燃料电池的工作效率。为实现上述目的，本专利技术采用如下方案：一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料，包括：碳球；包覆在碳球表面的层状双金属氢氧化物层；负载在所述层状双金属氢氧化物层上的铂纳米粒子。现有的镁铝双金属氢氧化物的比表面积较小，本专利技术研究发现：锌铁层状双金属氢氧化物具有巨大的比表面积，优异的纳米粒子分散性，以此为载体制备的Pt催化剂，Pt纳米粒子分散均匀，粒径小，从而提高了催化剂的电化学活性表面积，利于甲醇的吸附氧化。同时，锌铁层状双金属氢氧化物可在较低的电位下促进水的活化分解，产生含氧物质，从而促进CO等中间产物的氧化去除，使得两侧Pt表面的活性位点得以释放，利于甲醇的氧化。优选的，所述层状双金属氢氧化物层采用锌铁层状双金属氢氧化物构成。优选的，所述复合材料中，碳、锌、铁和铂的摩尔比为3～10：4～8：1：1～4。本专利技术还提供了一种铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料电极，包括：基底电极；负载在基底电极上的、任一项上述的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。本专利技术还提供了一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂，所述直接甲醇燃料电池阳极催化剂为任一项上述的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。本专利技术还提供了一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料的制备方法，包括：在碳球的表面包覆一层或多层层状双金属氢氧化物层；采用化学还原法在层状双金属氢氧化物层表面沉积铂纳米粒子。优选的，所述层状双金属氢氧化物层采用锌铁层状双金属氢氧化物构成。优选的，所述复合材料中，碳、锌、铁和铂的摩尔比为3～10：4～8：1：1～4；优选的，所述“在碳球的表面包覆一层或多层层状双金属氢氧化物层”的具体步骤如下：1)将碳球，硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O和硝酸铁Fe(NO3)3·9H2O均匀溶解到DMF中；2)水浴加热处理混合溶液；3)将所得产物溶解到DMF和水的混合液中，梯度加热。上述的方法制备的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。上述的任一项铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料皆可用于制备直接甲醇燃料电池阳极催化剂或直接甲醇燃料电池。本专利技术还提供了一种较优的铂/锌铁层状双金属氢氧化物(Pt/Zn-Fe LDH)直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，具体步骤如下：1)将碳球，硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)均匀溶解到DMF中。2)水浴加热处理混合溶液。3)将所得产物溶解到DMF和水的混合液中，后置于反应釜中，加热处理。4)离心、水洗、干燥处理所的产物，即得到碳球@锌铁层状双金属氢氧化本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料，其特征在于，包括：碳球；包覆在碳球表面的层状双金属氢氧化物层；负载在所述层状双金属氢氧化物层上的铂纳米粒子。
【技术特征摘要】
1.一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料，其特征在于，包括：碳球；包覆在碳球表面的层状双金属氢氧化物层；负载在所述层状双金属氢氧化物层上的铂纳米粒子。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述层状双金属氢氧化物层采用锌铁层状双金属氢氧化物构成。3.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中，碳、锌、铁和铂的摩尔比为3～10：4～8：1：1～4。4.一种铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料电极，其特征在于，包括：基底电极；负载在基底电极上的如权利要求1～3任一项所述的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。5.一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂，其特征在于，所述直接甲醇燃料电池阳极催化剂为权利要求1～3任一项所述的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合材料。6.一种应用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/碳球@锌铁层状双金属氢氧化物复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宗花，谢文富，张菲菲，刘含章，夏建飞，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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