一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法技术

一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法，包括将10mL氯铂酸、三氯甲烷和十六烷基三甲基溴化铵混合溶液A与羟基化碳纳米管溶液B混合；然后加入硼氢化钠还原剂混合均匀，得到碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液；将碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液进行抽滤，对抽滤所得物真空干燥，得到碳纳米管负载铂纳米线催化剂。有益效果是：铂纳米线为一维连续纳米结构，提高了质子传输效率，增大了反应物和生成物的传质速率，可以避免铂纳米颗粒的团聚和流失，提高了催化剂的活性和耐久性。

A Rapid Method for Preparing Pt Nanowires Supported on Carbon Nanotubes

A rapid method for preparing platinum nanowire catalyst supported on carbon nanotubes includes mixing 10 mL chloroplatinic acid, trichloromethane and Cetyltrimethylammonium Bromide mixed solution A with hydroxylated carbon nanotube solution B, then adding sodium borohydride reductant to mix evenly to obtain platinum nanowire catalyst solution supported on carbon nanotubes, and carrying out platinum nanowire catalyst solution supported on carbon nanotubes. After vacuum drying, platinum nanowires supported on carbon nanotubes were obtained. The beneficial results are as follows: Pt nanowires are one-dimensional continuous nanostructures, which improve the proton transport efficiency, increase the mass transfer rate of reactants and products, avoid agglomeration and loss of Pt nanoparticles, and improve the activity and durability of catalysts.

【技术实现步骤摘要】
一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法
本专利技术属于燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池炭负载铂催化剂。
技术介绍
在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的组成中，催化剂的活性直接影响着燃料电池的性能和效率，催化剂的稳定性直接影响着燃料电池的可靠性和耐久性。传统的质子交换膜燃料电池，催化剂通常采用的是炭负载铂。虽然催化剂颗粒细小，比表面积大，活性高，但是，伴随着水的流动和使用时间的延长，炭载体的电化学氧化和铂纳米颗粒的聚集导致铂纳米颗粒从炭载体上流失，使这种结构的催化剂缺乏足够的耐久性。为了解决上述问题，人们开展了抗腐蚀载体和铂颗粒的研究。抗腐蚀载体研究包括碳纳米管(Carbonnanotubes，CNTs)、石墨化炭和炭溶胶，以及炭化钨等半导体粉体的研究。其中，碳纳米管(CNTs)具有石墨化结构，因而具有石墨的化学稳定性，而且碳纳米管(CNTs)具有管状结构和一维延伸的特征，力学强度高，可在催化层中形成互穿网络结构，能提高催化层的强度，这些都有利于改善膜电极燃料电池的耐久性。与传统的碳材料相比，碳纳米管(CNTs)中电子转移的动力学行为最好，因此它在燃料电池催化剂载体方面有着很好的应用前景。现有的采用碳纳米管(CNTs)为催化剂载体来提高载体耐久性的技术的不足是：铂的分散性不好，铂颗粒容易团聚，碳纳米管(CNTs)负载铂催化剂的制备方法较复杂，时间很长，效率不高，而且铂的负载量较低。铂颗粒研究，目前普遍认为对于氧化还原反应，Pt颗粒在3nm左右的催化剂质量比活性最高。然而在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的长时间运行过程或者加速寿命实验中，Pt/C催化剂中的Pt颗粒会发生严重的聚集。即使最优的采用铂纳米颗粒的电催化剂系统，在催化剂颗粒之间，或催化剂颗粒和电解质膜Nafion之间还有许多阻挡质量传递和电子传递的迁移阻挡物存在。同时，纳米尺寸的颗粒具有较高的表面能，在电极反应过程容易产生聚集。鉴于此，人们开始在燃料电池电极内尝试性能更优的如纳米线的一维纳米结构催化剂。纳米线催化剂具有的高度各向异性特征可以为电荷传导提供流畅通道；采用一维连续纳米结构可以减少电催化剂被填埋点；各向异性形貌的网络可以有效地促进质量专递。现有技术中，尚未见到有将碳纳米管(CNTs)与铂纳米线结合的催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法，提高催化剂的耐腐蚀性，从而提高燃料电池的可靠性与耐久性。本专利技术的技术方案如下：一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法，其特征在于；所述快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法包括如下步骤：1)将10mL氯铂酸溶液、10mL三氯甲烷和145mg十六烷基三甲基溴化铵在容器中用超声波分散均匀，其中氯铂酸溶液的浓度为20mmol/L，然后，再磁力搅拌1h，转速为3000rpm，得到混合溶液A；2)将9-148mg重量中的任一需要重量的羟基化碳纳米管加入到装有80mL去离子水的容器中，羟基化碳纳米管的羟基含量为3-5wt％，用聚能式超声波材料乳化分散器分散20分钟，分散过程中，溶液温度保持在0-5℃之间，分散后得到溶液B；3)将溶液B倒入溶液A中，磁力搅拌15min，然后加入浓度为300mmol/L的硼氢化钠还原剂10mL，继续磁力搅拌15min，得到碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液，催化剂溶液中碳纳米管负载铂纳米线的铂载量与溶液B中加入的羟基化碳纳米管的重量对应，加入9mg羟基化碳纳米管对应的铂载量为80％，加入148mg羟基化碳纳米管对应的铂载量为20％，加入9-148mg之间的羟基化碳纳米管对应的铂载量为80％～20％之间；4)抽滤步骤3)制得的碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液，用去离子水将抽滤所得物质离心洗涤后，在70℃下真空干燥15min，得到与溶液B中加入的羟基化碳纳米管重量对应的碳纳米管负载铂纳米线催化剂。本专利技术的有益效果是：铂纳米线为一维连续纳米结构，提高了质子传输效率，增大了反应物和生成物的传质速率，可以避免铂纳米颗粒的团聚和流失，提高了催化剂的活性和耐久性。附图说明图1是碳纳米管负载铂纳米线催化剂的透射电镜图，图2是碳纳米管负载铂纳米线催化剂与传统Pt/C催化剂的ORR性能测试曲线比较图，图3是碳纳米管负载铂纳米线催化剂制备的膜电极组装的单电池与传统Pt/C制备的膜电极组装的单电池的电性能测试曲线比较图，图4是碳纳米管负载铂纳米线催化剂和传统Pt/C催化剂的电化学活性比表面积对比测试曲线图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步说明。实施例1制备的碳纳米管负载铂纳米线催化剂的铂载量为80％。步骤如下：1)将10mL氯铂酸溶液、10mL三氯甲烷和145mg十六烷基三甲基溴化铵混合，在容器中超声波分散均匀，其中氯铂酸溶液的浓度为20mmol/L，再磁力搅拌1h，转速为3000rpm，得到混合溶液A；2)将9mg羟基化碳纳米管加入到装有80mL去离子水的容器中，羟基化碳纳米管的羟基含量为3-5wt％，用聚能式超声波材料乳化分散器分散20分钟，分散过程中，溶液温度保持在0-5℃之间，分散后得到溶液B；3)将溶液B倒入溶液A中混合，磁力搅拌15min，再加入浓度为300mmol/L的硼氢化钠还原剂10mL，继续磁力搅拌15min，得到碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液，；4)将步骤3)制得的碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液进行抽滤，用去离子水将抽滤所得物质离心洗涤后，在70℃下真空干燥15min，得到铂载量为80％的碳纳米管负载铂纳米线催化剂。实施例2制备的碳纳米管负载铂纳米线催化剂的铂载量为20％。实施例2与实施例1的步骤相同，只在步骤2中羟基化碳纳米管的质量为148mg，得到铂载量为20％的碳纳米管负载铂纳米线催化剂。碳纳米管负载铂纳米线催化剂的形貌特征如图1所示。形貌特征图用以下方法获得：取适量碳纳米管负载铂纳米线催化剂，加入适量无水乙醇，用超声波震荡均匀。取该溶液适量，滴在附有有机膜(聚乙烯醇缩甲醛)的铜网上，放入样品架上，在JEOLTEM2000EX型透射电镜系统内测试催化剂的形貌特征，电压为120kV。图1是碳纳米管负载铂纳米线催化剂透射电镜图，淡灰色为碳纳米管，深灰色为铂纳米线，可以看出铂纳米线均匀生长在碳纳米管上，直径为2-3纳米。碳纳米管负载铂纳米线催化剂与传统Pt/C催化剂的ORR性能测试比较结果如图2所示。ORR性能测试方法如下：采用旋转圆盘电极，电解质为0.1mol/L高氯酸，扫描之前高氯酸溶液中通0.5h氧气，以使溶液中氧气浓度达到饱和。扫描范围为0.1～0.8V(VS.SCE)，扫描速率为5mV/s，转速为1600r/min。对催化剂进行LSV测试的目的在于考察两种催化剂的ORR特性，比较催化剂的ORR性能指标有三个：起始还原电位、半波电位和极限电流密度。其中起始还原电位越大，它发生还原反应的容易程度越高。通过对比氧化态物质的半波电位，它们的氧化能力越弱则相应的半波电位则呈现出越负的状态；还原态物质的半波电位愈正，它的还原能力就愈弱。通过LSV的对比能得到：PtNWs/CNT催化剂的极限电流密度更大，因此拥有更高的活性，PtNWs/CNT催化剂的半波电位较Pt/C催化剂是正移的。PtNWs/CN本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法，其特征在于；所述快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法包括以下步骤：1)将10mL氯铂酸溶液、10mL三氯甲烷和145mg十六烷基三甲基溴化铵在容器中用超声波分散均匀，其中氯铂酸溶液的浓度为20mmol/L，然后，再磁力搅拌1h，转速为3000rpm，得到混合溶液A；2)将9‑148mg重量中的任一需要重量的羟基化碳纳米管，加入到装有80mL去离子水的容器中，羟基化碳纳米管的羟基含量为3‑5wt％，用聚能式超声波材料乳化分散器分散20分钟，分散过程中，溶液温度保持在0‑5℃之间，分散后得到溶液B；3)将溶液B倒入溶液A中，磁力搅拌15min，然后加入浓度为300mmol/L的硼氢化钠还原剂10mL，继续磁力搅拌15min，得到碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液，催化剂溶液中碳纳米管负载铂纳米线的铂载量与溶液B中加入的羟基化碳纳米管的重量对应，加入9mg羟基化碳纳米管对应的铂载量为80％，加入148mg羟基化碳纳米管对应的铂载量为20％，加入9‑148mg之间的羟基化碳纳米管对应的铂载量为80％～20％之间；4)抽滤步骤3)制得的碳纳米管负载铂纳米线催化剂溶液，用去离子水将抽滤所得物质离心洗涤后，在70℃下真空干燥15min，得到与溶液B中加入的羟基化碳纳米管重量对应的碳纳米管负载铂纳米线催化剂。...

【技术特征摘要】
1.一种快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法，其特征在于；所述快速制备碳纳米管负载铂纳米线催化剂的方法包括以下步骤：1)将10mL氯铂酸溶液、10mL三氯甲烷和145mg十六烷基三甲基溴化铵在容器中用超声波分散均匀，其中氯铂酸溶液的浓度为20mmol/L，然后，再磁力搅拌1h，转速为3000rpm，得到混合溶液A；2)将9-148mg重量中的任一需要重量的羟基化碳纳米管，加入到装有80mL去离子水的容器中，羟基化碳纳米管的羟基含量为3-5wt％，用聚能式超声波材料乳化分散器分散20分钟，分散过程中，溶液温度保持在0-5℃之间，分散后得到溶液B；3)将溶液B倒入溶液A中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢璐，徐洪峰，邓晗，史继诚，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21