一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂制备和氢氧燃料电池技术领域；在本发明专利技术中，先将Ni前驱体负载在PVP改性后的CNT上，然后再负载Ir纳米粒子，得到氢氧燃料电池阳极复合物催化剂；所述氢氧燃料电池阳极复合物催化剂具有优异的氢氧化性能，在氢氧燃料电池中具有潜在应用前景；本发明专利技术所述制备工艺简单易行，重复性好，易于工业化实施。易于工业化实施。易于工业化实施。

【技术实现步骤摘要】
一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术催化剂制备和氢氧燃料电池
，具体涉及一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢氧燃料电池是将氢能转化为电能的装置，在电池两端分别进行氧还原反应和氢氧化反应，唯一的产物是水。由于氢氧燃料电池具有无污染、效率高等优点，受到了广泛关注。过去几十年质子交换膜燃料电池(PEMFCs)引起了科学界的关注。但是阴极氧还原反应(ORR)迟缓的速率导致了对铂族金属的高需求，而非贵金属基材料活性较低、稳定性不高，开发无铂族金属的高效电催化剂用于质子交换膜燃料电池仍存在着较大的困难与挑战，因此严重限制了质子交换膜燃料电池的实际应用。
[0003]近年来，使用碱性电解液的阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)获得了广泛关注。碱性电解液中，众多非铂材料可用作ORR催化剂，甚至能够达到与Pt几乎相同的催化效果。但是，阴离子交换膜燃料电池中阳极端的氢氧化反应(HOR)速率较慢。目前催化氢氧化的非Pt催化剂主要有各种镍基材料以及Ir,Ru等非Pt金属形成的合金及复合物，但其仍存在催化剂活性不足、稳定性不高、制备工艺繁琐等不足。因此，亟需提供一种高效稳定的Ir基碱性HOR电催化剂。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的Ir基催化剂活性不足，稳定性不高，制备方法工艺繁琐等问题，本专利技术提供了一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂及其制备方法和应用。在本专利技术中，先将Ni前驱体负载在PVP改性后的CNT上，然后再负载Ir纳米粒子，得到氢氧燃料电池阳极复合物催化剂；所述氢氧燃料电池阳极复合物催化剂具有优异的氢氧化性能，在氢氧燃料电池中具有潜在应用前景；本专利技术所述制备工艺简单易行，重复性好，易于工业化实施。
[0005]本专利技术中首先提供了一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂，所述复合催化剂中，Ir纳米晶均匀地负载在CNT和NiO
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Ni纳米粒子上。
[0006]本专利技术中还提供了上述氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
[0007](1)碳载体的功能化：
[0008]在乙醇中加入碳纳米管(CNT)与聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)，搅拌反应，反应结束后抽滤，干燥，得到PVP功能化的碳载体(PVP
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CNT)；
[0009](2)负载Ni前驱体的功能化碳载体的制备：
[0010]将PVP
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CNT、镍源和六亚甲基四胺(HMTA)溶于H2O与乙二醇的混合溶液中，待混合均匀后水热反应，反应结束后离心、洗涤、干燥，然后对干燥后的产物煅烧，得到负载Ni前驱体的功能化碳载体，记作NiO/CNT；
[0011](3)氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备：
[0012]将NiO/CNT溶于乙二醇中，然后加入Ir的前驱体搅拌均匀后油浴加热反应，反应结束后收集固体产物，得到氢氧燃料电池阳极复合物催化剂，即Ir/NiO
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Ni/CNT复合催化剂。
[0013]进一步的，步骤(1)中，所述碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮K30和乙醇的用量比为25～150mg：100～600mg：10～60mL，优选50mg：200mg：20mL。
[0014]进一步的，步骤(1)中，所述搅拌反应的条件为室温，时间为6～24h，优选12h。
[0015]进一步的，步骤(2)中，所述镍源为NiCl2、NiSO4、Ni(CH3COO)2、Ni(NO3)2中的任一种，优选为NiCl2。
[0016]进一步的，步骤(2)中，PVP
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CNT、镍源和HMTA的用量范围为25～100mg：0.5～2mmol：1～4mmol，优选50mg：1mmol：2mmol；
[0017]所述H2O与乙二醇的混合溶液中，H2O和乙二醇的体积比为2:3.
[0018]进一步的，步骤(2)中，所述水热反应的条件为在100～200℃下反应1～6h；优选的，水热反应条件为在150℃下反应4h。
[0019]进一步的，步骤(2)中，所述煅烧的条件为在400～800℃下煅烧0.5～5h；
[0020]优选的，所述煅烧的条件为在500℃下煅烧3h。
[0021]进一步的，步骤(3)中，NiO/CNT、乙二醇和Ir的前驱体的用量比为24mg：30mL：5～50mg；
[0022]优选的，NiO/CNT、乙二醇和Ir的前驱体的用量比为24mg：30mL：24mg。
[0023]进一步的，步骤(3)中，所述Ir的前驱体为氯铱酸。
[0024]进一步的，步骤(3)中，所述油浴加热的条件为在120～200℃下反应1～3h。
[0025]本专利技术中还提供了上述氢氧燃料电池阳极复合物催化剂在氢氧燃料电池中的应用。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0027]在实际应用中，单一组分材料常难以满足实际需求，因此常将多种组分材料进行有效组合，形成复合结构。复合结构不仅具有来自于多种组分的不同性能，而且常由于不同组分间的电子效应，显示出增强的或单组份不具有的性能。此外，复合材料中不同金属之间的电负性差异，会导致电荷的定向移动，并能调控金属表面位点的电子结构，促使其在HOR催化过程中会表现出最优异的性能。本专利技术中构建的Ir/NiO
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Ni/CNT催化剂各组分间存在协同电子效应，Ni基催化剂中较强的Ni
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H键导致其HOR活性低，亲氧元素金属Ir的引入有利于OH的吸附，同时能加快邻近活性位点吸附H的脱附。
[0028]本专利技术中将NiO负载在功能化碳载体上，在油浴加热的过程中产生了Ni单质，得到了NiO
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Ni纳米粒子，然后通过金属Ni、Ir与载体CNT之间的强相互作用来提高反应活性，调节催化选择性，提高催化剂稳定性等特点引起广泛关注。金属纳米颗粒与载体之间强的相互作用还可能有利于提高电催化剂的耐久性。
[0029]由于碱性HOR反应在催化剂颗粒表面进行，调控颗粒的粒径及粒径分布对提高其活性存在着至关重要的影响。本专利技术中通过调控油浴时间或者油浴温度控制Ir/NiO
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Ni/CNT催化剂中Ir的粒径至2.00nm左右，此时的Ir纳米粒子较均匀地负载在NiO
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Ni和CNT表面，合适的加热时间和加热温度避免了Ir纳米粒子的团聚，提高了催化反应活性面积，进而提升了HOR催化活性。
[0030]本专利技术中，先将Ni前驱体负载在PVP改性后的CNT上，然后再负载具有高催化活性
的Ir纳米粒子，得到氢氧燃料电池阳极复合物催化剂。复合催化剂中Ir含量较低，制备过程反应温度低、时间短。本专利技术利用市场常见的乙二醇作为溶剂和还原剂，反应原料易得，制备得到的Ir/NiO
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Ni/CNT催化剂粒径均匀、形态相对规整，其质量活性为0.77mA μg
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)碳载体的功能化：在乙醇中加入碳纳米管与聚乙烯吡咯烷酮K30，搅拌反应，反应结束后抽滤，干燥，得到PVP功能化的碳载体，记为PVP
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CNT；(2)负载Ni前驱体的功能化碳载体的制备：将PVP
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CNT、镍源和六亚甲基四胺HMTA溶于H2O与乙二醇的混合溶液中，待混合均匀后水热反应，反应结束后离心、洗涤、干燥，然后对干燥后的产物煅烧，得到负载Ni前驱体的功能化碳载体，记为NiO/CNT；(3)氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备：将NiO/CNT溶于乙二醇中，然后加入Ir的前驱体搅拌均匀后油浴加热反应，反应结束后收集固体产物，得到氢氧燃料电池阳极复合物催化剂，即Ir/NiO
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Ni/CNT复合催化剂。2.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮K30和乙醇的用量比为25～150mg：100～600mg：10～60mL；所述搅拌反应的条件为室温下搅拌6～24h。3.根据权利要求2所述的氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮K30和乙醇的用量比为50mg：200mg：20mL；所述搅拌反应的时间为12h。4.根据权利要求1所述的氢氧燃料电池阳极复合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述镍源为NiCl2、NiSO4、Ni(CH3COO)2、Ni(...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国兴，季霞芳，卫梓，周红波，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：