表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法及应用，其优点在于通过化学气相沉积技术以镍金属颗粒作催化剂在碳布上生长氮硼共掺杂碳纳米管，氮硼共掺杂碳纳米管具有稳定的三维结构

【技术实现步骤摘要】
表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于直接甲醇燃料电池的催化剂
，尤其是涉及一种表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法及其在直接甲醇燃料电池作为三功能催化剂的应用
。

技术介绍

[0002]随着人口的增长与社会的进步，人类对于能源的需求也日益加剧
。
目前，煤炭
、
石油和天然气等传统能源仍然是人们可使用能源中的主流选择
。
然而，这些传统能源的在促进社会发展的同时也带来了许多负面影响，一方面，传统能源的消耗通常伴随着燃烧等方式，这些方式引发许多诸如温室效应
、
酸雨污染
、
化学烟雾
、
臭氧层破坏等的环境问题，使人类生存环境受到威胁；另一方面，这些传统能源的总量有限，并且具有一次性的
、
不可再生的特点，导致不可避免的能源危机
。
[0003]因此，如何寻找一种可持续性的新型能源代替传统能源伴随着经济的发展而变得愈加紧迫
。
燃料电池是能源领域的一项重要解决方案，它不仅能代替传统燃料提供更加高效
、
环保的清洁能源，并且能够有效保障燃料在使用过程中的安全性
。
可以说，无论是从燃料可行性的角度出发，或是从能源安全方面考虑，燃料电池是当今解决能源相关问题的合适选择，并且它的重要性在未来也会越来越凸显
。
[0004]燃料电池根据所使用的电解质可分为：质子交换膜燃料电池
(PEMFC)、
碱性燃料电池
(AFC)、
固体氧化物燃料电池
(SOFC)、
磷酸燃料电池
(PAFC)
和熔融碳酸盐燃料电池
(MCFC)。PEMFC
在许多实际应用中表现良好，例如汽车行业，被认为是一种开创性的燃料电池，其使用氢气作为燃料
。
然而，氢燃料高度易燃，存在运输和储存问题，且氢燃料在运行过程中通常需要在高压下，一旦氢气处理不当，可能会导致爆炸等重大事故，这是
PEMFC
不可忽视的相关安全问题
。
直接甲醇燃料电池
(DMFC)
是由
PEMFC
衍生而来的，燃料为甲醇溶液，氧还原反应
(ORR)、
甲醇氧化反应
(MOR)
和析氢反应
(HER)
是其核心反应过程，也是其作为重要的可再生能源技术的重要凭证
。
与
PEMFC
相比，
DMFC
以可再生液态甲醇为燃料而具有独特的优势，因为甲醇可以安全地储存和运输，还具有高能量密度
(6100Wh kg
‑
1)
的特点
。
此外，由于甲醇氧化反应过程不会破坏
C
‑
C
键，
DMFC
具有较快的阳极反应速率
。
氢气较其他燃料的能量都高，甲醇能量次之，但氢气危险系数高，而甲醇燃料易携带和储存，且来源丰富
、
价格低廉
、
能量转换效率高，因此直接甲醇燃料电池是便携式电子设备
、
移动电话
、
摄像机和电动汽车理想的动力源，被认为是最有可能实现商业化应用的燃料电池
。
其中，催化剂是甲醇发生
MOR
和
ORR
的关键
。
[0005]目前，利用等离子体磁控溅射能够在低温条件下将铂
(Pt)
纳米颗粒均匀的负载于电极材料表面，提高铂的利用率，并有效阻止铂纳米颗粒的团聚，且增大了电极材料的比表面积，而铂的引入使得电极材料具有较好的
ORR
和
MOR
性能，是提升电极材料作为直接甲醇燃料电池高效催化剂的关键技术
。
但铂纳米颗粒对甲醇较为敏感，存在易中毒，长期稳定性差的问题；因此，设计出导电性好，结构稳定且具有良好抗甲醇中毒性能的电极材料来负载铂纳米颗粒，实现直接甲醇燃料电池的三功能催化剂可商业化制造，是本专利技术所要解决的
技术难题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法，制备出的以碳布为前体铂纳米颗粒负载氮硼共掺杂碳纳米管
(Pt
‑
BNCNTs@CC)
的三功能催化剂具有稳定的三维结构
、
优良的导电性和良好的抗甲醇中毒性能，并具有高比表面积
、
高催化活性和优异的析氢性能，同时铂的利用率高，具有较好的
MOR
性能，且在
ORR
反应中表现出较高的起始电位和半波电位
。
[0007]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法，具体包含如下步骤：
[0008](
一
)
氮硼共掺杂碳纳米管的制备：先将碳布用高锰酸钾溶液改性后清洗干燥，再用六水硝酸镍溶液浸泡一段时间后烘干，然后放入管式炉中，加入一定量的硼酸，并通入还原性气体与乙腈的混合气体，加热并保温一段时间，最后自然冷却至室温，获得生长了氮硼共掺杂碳纳米管的碳布；
[0009](
二
)
铂纳米颗粒的负载：将生长了氮硼共掺杂碳纳米管的碳布固定于磁控溅射装置底座上，真空条件下等离子体溅射沉积将铂纳米颗粒负载于表面
。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的优点在于通过化学气相沉积技术以镍金属颗粒作催化剂在碳布上生长氮硼共掺杂碳纳米管，具有稳定的三维结构，氮硼共掺杂碳纳米管具有独特的中空结构
、
优良的电子传导能力
、
高机械强度
、
较高的比表面积以及良好的化学稳定性等物化特性，作为优秀的基体和支撑材料，具有良好抗甲醇中毒性能，并提供了良好的导电性和大量的反应位点；同时等离子体磁控溅射技术负载铂纳米颗粒在低温条件下进行，本身就能有效阻止铂纳米颗粒的团聚，增大比表面积，又不破坏氮硼共掺杂碳纳米管的结构从而保持其导电性，从而在氧还原反应
、
甲醇氧化反应和析氢反应中都具有良好的表现，可作为直接甲醇燃料电池的三功能催化剂
。
[0011]作为优选，步骤
(
一
)
中高锰酸钾溶液改性碳布的处理时间为2分钟～8分钟；改性后的碳布在六水硝酸镍溶液中浸泡时间为6小时～
18
小时；还原性气体与乙腈的混合气体的流速为
10
～
50mL/min
，升温速率为2～
4℃/min,
反应温度为
600℃
～
800℃
，保温时间为
30
分钟～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法，其特征在于：具体包含如下步骤：（一）氮硼共掺杂碳纳米管的制备：先将碳布用高锰酸钾溶液改性后清洗干燥，再用六水硝酸镍溶液浸泡一段时间后烘干，然后放入管式炉中，加入一定量的硼酸，并通入还原性气体与乙腈的混合气体，加热并保温一段时间，最后自然冷却至室温
,
获得生长了氮硼共掺杂碳纳米管的碳布；（二）铂纳米颗粒的负载：将生长了氮硼共掺杂碳纳米管的碳布固定于磁控溅射装置底座上，真空条件下等离子体溅射沉积将铂纳米颗粒负载于氮硼共掺杂碳纳米管的表面
。2.
根据权利要求1所述的表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（一）中高锰酸钾溶液改性碳布的处理时间为2分钟～8分钟；改性后的碳布在六水硝酸镍溶液中浸泡时间为6小时～
18
小时；还原性气体与乙腈的混合气体的流速为
10
～
50mL/min
，升温速率为2～
4℃/min,
反应温度为
600℃
～
800℃
，保温时间为
30
分钟～
90
分钟；硼酸的质量与碳布面积的比值为
0.1 g/cm2～
0.35g/cm2。3.
根据权利要求2所述的表面负载铂纳米颗粒的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（一）中高锰酸钾溶液改性碳布的处理时间为5分钟；改性后的碳布在六水硝酸镍...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋仲庆，陈瑞寅，许泽君，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：