[发明专利]一种贵金属/复合金属氧化物/碳纳米管型电催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及贵金属/复合金属氧化物/碳纳米管型电 催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，纳米复合材料(Nanocomposites)的研究发展比较迅速。由于纳米复合材料的分 散相具有纳米尺度效应、大的比表面积、强的界面相互作用和独特的物理-化学性能，使其与 常规复合材料相比有更大的优势。纳米复合材料糅合了两种或两种以上物质的性质，从而产 生许多特异性能，在电子学、光学、机械学、生物学等领域展现出广阔应用前景。其中碳纳 米管是复合材料中加强材料的优秀候选者，成为碳纳米管基纳米复合材料。此种复合材料不 仅具备了碳纳米管独特的物理化学性能、较高的电子导电性、高的抗腐蚀性和高稳定性，还 在此基础上引入了所需要的金属或金属氧化物，使碳纳米管实现了功能化，加强复合材料的 各项性能，能够有的放矢的应用在诸多领域中，例如用于半导体、传感器、催化剂、催化剂 载体、储能材料、超级电容器、生物医药等领域，是一种新型无机功能复合材料。例如碳纳 米管与TiO₂复合负载上贵金属Pt粒子用于直接乙醇燃料电池中，拥有较好的电化学性能和 较高的抗中毒性；碳纳米管与NiO复合，不仅有效的降低了NiO电极的电阻，加强导电性能， 同时有效的增加了电极表面的比活性面积，提高了电极电容；碳纳米管与磁性氧化铁复合成 为吸附Ni²⁺和Sr²⁺的吸附剂，具有良好的吸附性能。(D.M.He，L.X.Yang，S.Y. Kuang，Q.Y. Cai， Electrochem Commun 9(2007)2467-2472；J.Y. Lee，K.Liang，K.H.Ana，Y. H.Lee，Synthetic Metals 150(2005)153-157；C.L Chen，J.Hu，D.D Shao，J.X.Li，X.K.Wang，Journal of Hazardous Materials 164(2009)923-928)。

目前，由于碳纳米管奇异的电子特性和很高的表面体积比在用于电极反应时可以促进电 子的转移，广泛的被用于醇类燃料电池中。碳纳米管不仅提供贵金属分散的介质，同时它的 表面被氧化后可提供大量的含氧基团，有效的提高了催化氧化的效率、延长了电催化剂的使 用寿命，成为了燃料电池中最受欢迎的载体材料。传统制备电催化剂的方法是用电化学、液 相还原、气相还原等方法使贵金属负载在碳纳米管的表面。但是当碳纳米管杂乱的团聚在一 起时，容易使所负载上的贵金属发生纳米颗粒的团聚或者活性中心被包埋的现象，不利于电 催化剂的高效使用。因此碳纳米管基复合材料成为了改良此缺点首选的材料。利用碳纳米管 和金属氧化物的双功能作用以达到贵金属分散和增加贵金属的抗中毒性。但由于两相容易发 生相分离，纳米粒子团聚，所合成的碳纳米管基的复合材料中金属以及金属氧化物的颗粒分 散度和粒径大小控制难度大等缺点，导致所合成的复合材料的优势减弱。并且此过程操作步 骤复杂，需要调变的因素难控，最佳条件难寻，对最终的电化学性能有着较大的影响。

传统制备碳纳米管最为普遍的方法是催化化学气相沉积法即CCVD法。在CCVD中所使 用的催化剂的活性组分主要为过渡金属Ni、Fe、Co(Wei-Wei Pang，Seongyop Lim，Yu-Zhen Zhang，Seong-Ho Yoon，and Isao Mochida，J.Phys.Chem.C，2008，112(27)，10050-10060)；而 目前也有文献报道贵金属对生长碳纳米管的催化活性，用贵金属Pt作为催化剂生长一系列碳 纳米管，但是相对来说碳纳米管的均匀性和分散性需要有所提高(Sakae Takenaka，Toshiyuki Iguchia，Eishi Tanabe，Hideki Matsune，Masahiro Kishida，Ccarbon，47(2009)1251-1257)。

因此，如果能一体化合成贵金属、金属氧化物、碳纳米管均匀复合的纳米复合材料直接 作为电催化剂用于燃料电池中，将有利于成本的降低、制备方法的简化、电化学性能的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种贵金属/复合金属氧化物/碳纳米管型电催化剂及其制备方法，以 及将该电催化剂用于醇类燃料电池中。