一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法，所述的Pt基纳米线阴极催化剂包括碳载体，以及负载碳载体上的活性组分，所述活性组分为Pt纳米线或PtM合金纳米线，其中，M为过渡金属，其选自元素周期表B族和第IIIV族的元素中的一种；阴极催化剂用无模板法或模板法等液相还原制得Pt纳米线或PtM合金纳米线，然后易高导电性的碳载体负载主活性组分，即得到。与现有技术相比，本发明专利技术提供的Pt基纳米线阴极催化剂制备方法简单、纳米线结构均一、活性高、耐久性佳等。

【技术实现步骤摘要】
一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法
本专利技术涉及电催化与能源转化
，尤其是涉及一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法。
技术介绍
燃料电池(FuelCell)是一种将燃料(如氢气、甲醇、乙醇)和氧化剂(如氧气、空气)的化学能直接转化为电能的装置。由于燃料电池能量转化不受卡诺循环的限制和环境友好等优点，燃料电池成为学术界和实业界关注的焦点。近年来，随着经济和社会的发展，能源与环境污染日益加剧，燃料电池成为未来汽车、分散电站、便携式电源的理想替代电源。通常的燃料电池有双极板，气体扩散层，电催化剂层和质子交换膜等4部分构成。其中，电催化剂是燃料电池的关键材料之一，是燃料电池反应的核心，同时也是低温燃料电池能否走向商业化的最关键因素之一(J.Am.Chem.Soc.125(2003)2408；Front.Biosci.10(2005)492；NanoLett.4(2004)191；Electroanalysis16(2004)145；Electrochem.Commun.4(2002)743.)。一般认为，Pt是目前具有最后最高活性的单一金属催化剂，因而，目前普遍采用的燃料电池催化剂以贵金属Pt为主体(Langmuir1999,15,7621；Chem.Mater.2001,13,312)。但由于Pt的价格昂贵，资源匮乏，因而成为燃料电池商业化的一大障碍。为了克服Pt金属价格和储量对燃料电池商业化的影响，目前，研究者主要集中于两方面工作：降低燃料电池中Pt的负载量和开发新型燃料电池催化剂。同时，Pt作为燃料电池也有本身的一些缺陷和不足。譬如，氧气的电催化还原反应在Pt催化剂上具有较高的活性，但即便如此，Pt催化剂上的氧气电催化反应也不是一个完全的4电子过程，这不仅会影响到燃料电池的发电效率和能量利用效率。同时，其产生的中间物种H2O2会显著影响到质子交换膜的燃料电池催化剂的稳定性。同时，燃料中通常会含有一定量的CO等杂质气体，而Pt对CO极为敏感，这会造成质子交换膜燃料电池效率降低。此外，燃料电池中，不可避免的会发生部分的燃料渗透，这会在阴极Pt催化剂上发生反应，显著的影响到燃料电池的发电效率和电池的稳定性。因此，寻求新型催化剂以降低Pt的载量，同时提升其发电性能和耐久性，成为近期的研究热点之一。近几年来，国际上通过合成不同结构新型Pt基催化剂来提高催化剂活性和耐久性，并降低Pt载量。其中开发有序化Pt基催化剂，例如核壳(core-shell)、纳米线(nanowire)、纳米管(nanotube)、纳米线立体网状(nanowirenetworks)以及纳米线阵列(nanowirearray)等，可以提高铂基催化剂的利用率、电化学比表面积、传质、催化剂活性和耐久性。如Wu等(JPowerSources,194(2009)805)合成的PdPt@Pt/C催化剂作为甲醇燃料电池阳极时，其性能是商业Pt/C催化剂的3倍且具有很强的抗CO毒性；当作为氢空燃料电池阴极时，其发电性能高出商业Pt/C催化剂80％；Ma等(CatalCommun,11(2010)434)合成的Ptshell-Aucore/C催化剂作为氢空燃料电池阴极时，其发电性能高出商业Pt/C催化剂4～5倍；Saha等合成的Pt-SnC纳米线shell-Sncore催化剂作为燃料电池催化剂具有很强的氧还原活性，抗CO毒性以及较高的稳定性(JPowerSources,185(2008)1079)；Chen等合成的碳纳米管Pt-Pd合金催化剂具有较高的比表面活性(specificactivity)和比质量活性(massactivity)，其氧还原活性和耐久性明显高于商业Pt/C催化剂(AngewChem,IntEd,46(2007)4060)；Teng等(ChemMater,19(2007)36)合成的三维纳米树枝状Pt-Ru合金催化剂对甲醇的氧化活性明显高于商业铂催化剂；Park等ElectrochemSolid-StateLett,11(2008)B71)通过MCM-41作为模板合成截面粒径3nm左右的Pt纳米线结构催化剂，测试结果表明该结构催化剂可以提高比表面活性和比质量活性；Chien等(MaterChemPhys,103(2007)400)通过聚苯乙烯纳米球作为模板合成Pt，Pt-Ru纳米立体网络结构催化剂作为燃料电池催化剂，测试结果表明电池发电性能是传统纳米颗粒结构Pt，Pt-Ru催化剂的3～4倍，并且其耐久性也高于商业纳米颗粒催化剂；Choi等(ElectrochimActa,53(2003)5804)通过聚合物模板合成Pt纳米线结构催化剂，测试结果显示该结构催化剂可以提高甲醇氧化比质量活性；Koczkur等(dvMater,19(2007)2648)合成纳米线立体网络结构的Pt-Ru催化剂，该结构催化剂可以提高抗CO毒性以及对甲醇氧化活性。由此可见，Pt基纳米线催化剂和纳米线立体网络结构催化剂对甲醇具有很强的催化活性和较高的耐久性。然而，上述纳米线结构以及纳米立体网络结构催化剂的研究主要集中在甲醇燃料电池阳极，而对于氢空燃料电池的阴极研究相对较少；另外，上述催化剂的合成，多采用硬模板法，该合成方法主要有四方面的缺点，第一，由于硬模板连续性差，所以该方法合成的催化剂金属相互联结性低；第二，硬模板的去除通常使用氢氟酸，而氢氟酸的使用会对环境以及安全等问题造成严重威胁；第三，硬模板孔结构通常会制约纳米催化剂结构和尺寸；第四，硬模板通常价格昂贵，不易批量生产。
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车载燃料电池用高活性、高耐久性的Pt基纳米线阴极催化剂及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，包括碳载体，以及负载碳载体上的活性组分，所述活性组分为Pt纳米线或PtM合金纳米线，其中，M为过渡金属，其选自元素周期表表B族和第IIIV族的元素中的一种。作为优选的实施方案，所述阴极催化剂中，当活性组分为Pt纳米线时，Pt的含量占催化剂质量的0.1-99.9％，其余为碳载体；当活性组分为PtM合金纳米线时，Pt的含量占催化剂的1-80wt％，过渡金属M占1-80wt％，其余为碳载体。作为更优选的实施方案，当活性组分为Pt纳米线时，Pt的含量占催化剂质量的1-80％，更优选的，为10-50wt％，其余为碳载体；当活性组分为PtM合金纳米线时，Pt的含量占催化剂的10-50wt％，过渡金属M占10-50wt％，其余为碳载体。作为优选的实施方案，过渡金属M为Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni或Cu。作为优选的实施方案，所述的碳载体选用比表面积50～1500m2/g的传统碳材料或新型碳基纳米材料，其中，传统碳材料包括活性炭，石墨或碳黑，新型碳基纳米材料包括纳米碳管、纳米碳纤维或碳纳米角。车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(A)取碳载体分散于水中，再加入H2PtCl6和甲酸，混合；(B)取步骤(A)得到的混合液置于通风橱中静置，过滤，洗涤至无Cl-检出为止，收集滤饼干燥，即得到目的产物Pt纳米线阴极催化剂。作为优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，包括碳载体，以及负载碳载体上的活性组分，所述活性组分为Pt纳米线或PtM合金纳米线，其中，M为过渡金属，其选自元素周期表表B族和第IIIV族的元素中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，包括碳载体，以及负载碳载体上的活性组分，所述活性组分为Pt纳米线或PtM合金纳米线，其中，M为过渡金属，其选自元素周期表表B族和第IIIV族的元素中的一种。2.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，所述阴极催化剂中，当活性组分为Pt纳米线时，Pt的含量占催化剂质量的0.1-99.9％，其余为碳载体；当活性组分为PtM合金纳米线时，Pt的含量占催化剂的1-80wt％，过渡金属M占1-80wt％，其余为碳载体。3.根据权利要求2所述的一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，当活性组分为Pt纳米线时，Pt的含量占催化剂质量的1-80％，更优选的，为10-50wt％，其余为碳载体；当活性组分为PtM合金纳米线时，Pt的含量占催化剂的10-50wt％，过渡金属M占10-50wt％，其余为碳载体。4.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，过渡金属M为Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni或Cu。5.根据权利要求1所述的一种车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂，其特征在于，所述的碳载体选用比表面积50～1500m2/g的传统碳材料或新型碳基纳米材料，其中，传统碳材料包括活性炭，石墨或碳黑，新型碳基纳米材料包括纳米碳管、纳米碳纤维或碳纳米角。6.如权利要求1～5任一所述的车载燃料电池用Pt基纳米线阴极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(A)取碳载体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冰，张存满，杨代军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31