本发明专利技术公开一种贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体及其制备方法与应用。该方法，包括如下步骤：1)将钛酸酯的溶液与聚乙烯吡咯烷酮的溶液混匀作为静电纺丝原液，进行静电纺丝，得到TiO2纳米纤维，再对所述TiO2纳米纤维进行煅烧，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；2)将锐钛矿型TiO2纳米纤维分散于醇中，再加入贵金属盐溶液混匀，进行间歇式微波加热，得到所述贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体。本发明专利技术提供的贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体的粒径小(5nm)，分布窄，颗粒高分散不聚集，贵金属含量可由5％-60％任意控制，具有高电催化活性，可用做燃料电池氧化电极的电催化剂。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池催化剂的制备领域，涉及一种贵金属-二氧化钛纳米纤维复 合体及其制备方法与应用。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEM fuel cell)可以在相对较低的温度下(大约80°C )运 行，允许快速启动(需要更短的预热时间)，因此系统元件磨损少，具有较好的耐久性。PEM 燃料电池应用的电催化过程是阳极上的氢的氧化以及阴极上空气中的氧气的还原。目前 PEM燃料电池体系中普遍使用的电催化剂是钼/碳催化剂或者钼的合金/碳催化剂。高比表 面积的碳用来负载高分散的纳米尺寸的钼，流畅运输燃料电池反应的反应物和产物，并且 具有很好的导电性能。在汽车燃料电池技术变为实际可用、大规模生产以前，必须注意到， 在氧化电极用作催化剂载体的碳具有氧化不稳定性(动力学缓慢，但是热力学上可行)。尽 管很多科研工作者扩展了不同形式的碳，如多壁碳纳米管材料等来替代，但是由于其憎水 性，Pt颗粒很难分散在上面。因此我们用改变载体材料，如用可导电的钛的氧化物做载体材 料，来延长催化剂-载体的寿命。二氧化钛(TiO2)商业上主要用做白色颜料，因为它具有大 的光散射和小的光吸收，是无毒、化学惰性、具有很高介电常数的陶瓷材料。二氧化钛的物 理、化学性质，可以通过颗粒大小和形貌进行控制。具有好的微晶尺寸(小于100纳米)和 高比表面积的氧化钛，由于其独特的光学、电学和催化性质，引起了广泛关注。氧化钛家族 中的Magneli相符合TinO2lri通式，其中η可以为4-10。专利W097/27344和EP 0 572 559 提出Magneli相氧化钛可用在燃料电池的电极上。然而Magneli相氧化钛是缺氧态的，用 在氧化电极上仍会随着电池反应的进行而缓慢氧化，影响电池的性能。因此我们采用较稳 定的锐态矿相二氧化钛作为催化剂载体，而提高用于质子交换膜燃料电池的Pt/TiA复合 物的电催化性能的关键，是要提高基于TW2载体的导电性能和复合物中Pt的分散度。催化剂的活性可通过增加每单位体积表面积催化剂的量来增强。与粉末状相比， 纤维状二氧化钛由于具有大的比表面以及便于反应物输送和产物释放引起人们广泛的兴 趣。静电纺丝技术是能够制备长尺寸的、直径分布均勻的、成分多样化的、既可以是实心、也 可以是空心的纳米纤维的最简单的方法，并且电纺技术具有设备简单，操作简便，产率高等 优点，是制备连续纳米纤维的唯一方法。如何将贵金属颗粒负载到电纺的TiA纤维上是提高复合物中贵金属颗粒分散度 的关键。目前普遍使用的制备贵金属负载的催化剂的方法为浸载法，但是此方法负载的贵 金属含量往往较低(10%以下)，不适用于燃料电池体系。其他常用的方法如化学沉积法， 光沉积法等，往往需要较长的时间来让贵金属颗粒“种子”生长和老化。微波是波长介于 Imm Im之间的电磁波，由于微波介电热效应是一种“内加热”机制而避免了传统加热中 的热传导和对流传热，因而是一种均勻、迅速的加热方式。应用微波还原法制备高分子保护 的金属纳米颗粒已有较多报道，用微波还原法在碳纳米管上负载Pt颗粒也有报道，但是此 方法需要将碳纳米管进行较复杂的前处理。因此快速制备适用于燃料电池体系的高效Pt/TiO2催化剂的关键是如何将微波还原法和电纺法相结合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体及其制备方法与应用。本专利技术提供的制备贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体的方法，包括如下步骤1)将钛酸酯的溶液与聚乙烯吡咯烷酮的溶液混勻作为静电纺丝原液，进行静电纺 丝，得到TiA纳米纤维，再对所述TiA纳米纤维进行煅烧，得到锐钛矿型TiA纳米纤维；2)将所述锐钛矿型TiO2纳米纤维分散于醇中，再加入贵金属盐溶液混勻，进行间 歇式微波加热，静置，洗涤，干燥后得到所述贵金属-二氧化钛纳米纤维复合体。上述方法的步骤1)中，所述钛酸酯选自正钛酸乙酯、正钛酸异丙酯和正钛酸丁 酯中的其中一种；钛酸酯与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为2-5 1，具体可为2.5-4 1、 2.9-4 1,2. 5-3. 5 1,2. 9-3. 3 1、1.9-4 1、1.5-4 1 或 1. 5-3. 5 1，优选3.3 1， 所述钛酸酯的溶液中，溶剂优选乙醇和乙酸的混合液，该混合液中，乙醇与乙酸的体积比为 1 1，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量优选为1，300，000;所述聚乙烯吡咯烷酮的溶液 中，溶剂优选为乙醇，溶剂的用量只需保证聚乙烯吡咯烷酮完全溶解即可。所述静电纺丝步 骤中，静电纺丝原液的流速为4-20ml/h，具体可为4-15ml/h、5-20ml/h、5-10ml/h、4-10ml/ h、10-20ml/h、15-20ml/h 或 10_15ml/h ；所述煅烧步骤中，温度为 400-500°C，优选 500°C，时 间为3-8小时，优选4小时。该静电纺丝步骤具体可为将钛酸酯的有机溶液与聚乙烯吡咯 烷酮的有机溶液混勻，作为静电纺丝原液，由微量注射装置控制所述静电纺丝原液的挤出， 所述微量注射装置的喷口与电源的阴极相连，与所述电源阳极相连的覆盖有铝箔层的金属 板作为纺丝接收装置，进行静电纺丝，得到TW2纳米纤维；其中，所述电源的电压为2-4万 伏，所述微量注射装置的喷口距离所述覆盖有铝箔层的金属板的距离为15-30厘米。所述步骤2)中，所述醇选自碳原子数为2 10的一元醇和二元醇中的任 意一种，优选乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇和丙三醇中的任意一种。所述贵金属盐中，贵 金属元素选自金、钼和钯中的至少一种；所述贵金属盐的溶液中，溶剂选自水和碳原 子数为2 10的一元醇和二元醇中的任意一种，优选水、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇 和丙三醇中的任意一种。所述锐钛矿型TiO2纳米纤维、所述醇与所述贵金属盐溶液 的用量比为 0. 2-2g 20-300mL 2_20mL，具体可为 0. 2g 20_100mL 2-IOmL, 0. 2-0. 3g 20-100mL 2-lOmL 或 0. 2g 20_45mL 2. 5_4mL，优选 0. 2g 30mL 3mL, 所述贵金属盐溶液的浓度为0. 05-0. 10mol/L，具体可为0. 07mol/L、0. 07-0. 09mol/L、 0. 05-0. 09mol/L、0. 05-0. 08mol/L、0. 07-0. 09mol/L 或 0. 07-0. 08mol/L,优选 0. 07mol/ L。所述间歇式微波加热步骤为每微波加热10-30秒后，暂停5-15秒；所述间歇式微 波加热的总时间为2-60分钟，具体可为2-20分钟、4-20分钟、4_15分钟、10-15分钟、 2-50分钟、10-50分钟、10-40分钟或5_20分钟；所述间歇式微波加热步骤中，微波频率 为 2000-3000MHz，优选 2450MHz,微波功率为 80 1000W，具体可为 500-800W、500_750W、 600-800W或700-800W，优选650-800W ；所述洗涤步骤中，洗涤液选自去离子水和乙醇中的 至少一种；所述干燥步骤中，温度为80-200°C，优选80°C，时间为1-3小时，优选2小时。按照上述方法制备得到的贵金属-二氧化钛纳米纤维复合本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种制备贵金属－二氧化钛纳米纤维复合体的方法，包括如下步骤：１）将钛酸酯的溶液与聚乙烯吡咯烷酮的溶液混匀作为静电纺丝原液，进行静电纺丝，得到ＴｉＯ２纳米纤维，再对所述ＴｉＯ２纳米纤维进行煅烧，得到锐钛矿型ＴｉＯ２纳米纤维；２）将所述锐钛矿型ＴｉＯ２纳米纤维分散于醇中，再加入贵金属盐的溶液混匀，进行间歇式微波加热，静置，洗涤，干燥后得到所述贵金属－二氧化钛纳米纤维复合体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：江龙，隆琪，李津如，荣惠林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11
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