一种担载型纳米电催化剂的制备方法、结构特征及应用技术

一种担载型纳米电催化剂的制备方法、结构特征及应用，方法步骤为将碳黑等载体分散在含有表面活性剂的憎水性溶剂中，载体提供支撑纳米颗粒成核、生长的活性位-支撑功能，表面活性剂控制纳米颗粒的生长-模板功能，向含有支撑-模板双功能微观反应环境的混合物中加入水溶性金属盐和还原剂，可获得不同载量的担载型纳米电催化剂；在低温下（50Wt%）纳米电催化剂，容易放大合成；所制备的担载型纳米电催化剂可应用于质子交换膜燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
一种担载型纳米电催化剂的制备方法、结构特征及应用
本专利技术属于质子交换膜燃料电池催化剂领域，具体涉及一种担载型纳米电催化剂的制备方法、结构特征及应用。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁的发电技术，可以高效地将化学能转化为电能。因其具有运行温度低、启动快、能量密度高等优点受到广泛关注。电催化剂是 PEMFC的核心材料之一，电催化剂的合成是PEMFC研究领域的一个重点。近年来，国内外研究机构已经开展了相应的研发工作。张等采用浸溃还原法，制备了 Pt/多壁碳纳米管电催化剂，6. 5^7. 5nm的Pt颗粒均匀分布在载体表面，Pt的载量为l(T20wt% (CN 02137246.2)。Abruna等采用改进的浸溃还原法，在150° C气固反应条件下，合成了具有核壳结构的担载型Pt3Co/C纳米电催化剂，经过高温(700° C)热处理后，表现出了较高的氧还原活性(0.52mA/ygpt)，但是高温处理也导致了纳米颗粒的烧结、团聚(D. L. Wang, H. L. Xin, R. Hovden, H. D. Abruna. , et al. NatureMater. DO1:10. 1038/nmat3458.)。唐等则采用多元醇法制备了粒径为f2nm的Pt、Rh、Ru的颗粒，此方法还原反应温度较高(160 ° C)，时间较长(3h)，不利于大规模合成(Y. Wang, J. ff. Ren, K. Deng, Y. Q. Tang. , et al. Chem. Mater. 2000, 12, 1622.)。Adzic等通过欠电位沉积/置换法制备了具有核-壳结构的担载型Pt基纳米电催化剂，有效降低了金属Pt的用量，同时显著提高了电催化剂的活性和稳定性。但是这种方法合成过程较为复杂，并且受电极面积的制约，不适合进行大规模合成(K. Sasaki, H.Naohara, Y. Cai, R. R. Adzic. , et al. Angew. Chem.1nt. Edit. 2010, 49, 8602.)。Xia等人利用聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂在100° C条件下合成了一系列三维分枝状Pt-Pd双金属纳米电催化剂，然而聚乙烯吡咯烷酮难以有效去除(B. K. Lim，M. J. Jiang, P. H. C. Camargo, Y. N. Xia. , et al. Science. 2009, 324, 1302)。Yang等在十六烷二醇等高沸点溶剂中通过使用复合稳定剂的方法获得了新颖的 Pt3Ni合金电催化剂，采用此方法可以使合金的(1，1，I)晶面优先暴露，从而提高催化剂的活性。然而，该方法反应温度较高(190° C)，反应步骤也较为繁琐，并且在合成过程中使用 T 多种稳定剂，难以去除(J. B. ffu, J. L. Zhang, Z. M. Peng, H. Yang. , et al. J. Am. Chem. Soc. 2010，132，4984)。已报道的合成方法存在着反应温度高，反应时间长，不易控制，稳定剂难以去除， 不适于大规模合成等问题。尤其在合成高载量电催化剂时，纳米颗粒尺寸增大，粒径分布宽，导致电催化剂的活性降低，且易发生奥斯瓦尔德(Ostwald)老化。本专利技术利用载体与软模板剂构成的支撑-模板双功能微观反应环境，制备了系列支撑型金属及合金纳米电催化剂。软模板剂及其它副产物可以通过简单的多次水洗被有效去除。担载在载体上的近球形颗粒的粒径为I飞nm，尺寸分布为5 20% ;短棒直径为I飞nm，直径尺寸分布为5 20%，长度在5 20nm，载量为O. 5 75wt%。本专利技术操作简单、反应迅速且容易放大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种担载型纳米电催化剂的制备方法、结构特征及应用，该制备方法简单，易于控制，制备周期短，适于大规模生产，并且在制备高载量纳米电催化剂时，仍能有效控制纳米颗粒的尺寸及其均一性。本专利技术提供了一种担载型纳米电催化剂的制备方法，具体步骤为将表面活性剂溶解到憎水性溶剂中，首先加入载体，超声分散5飞O分钟，再加入金属前驱体或其水溶液， 在15 30° C下搅拌3(Γ180分钟，静置，分液去除水相，将剩余溶液加水稀释2 50倍，高速搅拌(大于400转/分钟)，加入水溶性还原剂或其水溶液，反应4分钟以上，纯化，得到担载型纳米电催化剂。本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述表面活性剂的摩尔浓度为O. Of lOOOmmol/L，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、十二烷基氨基丙酸钠、月桂基硫酸钠、聚环氧乙烯月桂酰醚、月桂酸失水山梨醇酯、油酸二乙醇酰胺、十二烷基二甲基甜菜碱、十四烷基二甲基磺乙基甜菜碱、硬脂酸、油胺、油酸和它们的衍生物及类似物中的一种或两种以上的混合物。本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述憎水性溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、环己烷、环己酮、四氯化碳、氯仿、甲基异丁酮、醋酸异丙酯和它们的衍生物及类似物中的一种或二种以上的混合物。本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述水溶性还原剂的摩尔浓度为O. 5 5000mmol/L，水溶性还原剂为甲醛、甲酸、硼氢化锂、硼氢化钠、硼氢化钾、甲醇、乙醇、多元醇、水合肼、乙二酸、苹果酸、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、抗坏血酸和它们的衍生物及类似物中的一种或二种以上的混合物。 本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述载体为碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纤维、石墨烯、金属氧化物和非金属氧化物中的一种或二种的以上混合物，该催化剂中金属的载量为O. 5 75wt%。本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述金属前驱体水溶液的摩尔浓度为O. f500mmol/L，金属前驱体为钼化合物、钌化合物、铑化合物、钯化合物、银化合物、铼化合物、锇化合物、铱化合物、金化合物、铁化合物、钴化合物、镍化合物、铜化合物中的一种或二种以上混合物。本专利技术提供的所述担载型纳米电催化剂的制备方法，所述钼化合物为氯钼酸、氯亚钼酸、氯钼酸盐、氯亚钼酸盐及它们的类似物中的一种或二种以上的混合物；所述钌化合物为三氯化钌、氯钌酸、氯钌酸盐及它们的类似物中的一种或二种以上的混合物；所述铑化合物为三氯化铑、硫酸铑、氯铑酸、氯铑酸盐及它们的类似物中的一种或二种以上的混合物；所述钯化合物为二氯化钯、四氯钯酸盐、硫酸钯及它们的类似物中的一种或二种以上的混合物；所述银化合物为硝酸银及其类似物中的一种或两种以上的混合物；所述铼化合物为五氯化铼、高铼酸、高铼酸盐及它们的类似物中的一种或二种以 上的混合物；所述锇化合物为四氯化锇、氯锇酸、氯锇酸盐及它们的类似物中的一种或二种以 上的混合物；所述铱化合物为四氯化铱、氯铱酸、氯铱酸盐及它们的类似物中的一种或二种以 上的混合物；所述金化合物为三氯化金、氯金酸、氯金酸盐及它们的类似物中的一种或二种以 上的混合物；所述铁化合物为三氯化铁、二氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁及它 们的类似物中的一种或二种以上的混合物；所述钴化合物为二氯化钴、三氯化钴、硝酸钴、硫酸钴及它们的类似物中的一种或 二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种担载型纳米电催化剂的制备方法，其特征在于：将表面活性剂溶解到憎水性溶剂中，首先加入载体，超声分散5~60分钟，再加入金属前驱体或其水溶液，在15~30°C下搅拌30~180分钟，静置，分液去除水相，将剩余溶液加水稀释2~50倍，在大于400转/分钟的搅拌速度下，加入水溶性还原剂或其水溶液，反应4分钟以上，纯化，得到担载型纳米电催化剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋玉江，李书双，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：