[发明专利]一种Pd/C纳米催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种对乙醇具有高催化活性Pd/C纳米催化剂的制备方法。

背景技术

人类社会伴随着生物质能、水能、太阳能、化石能、核能等的开发和利用，逐步从原始社会的农业文明走向现代化的工业文明。然而随着全球人口数量的上升和经济规模的不断增长，化石能源的高额消耗已经加深世界能源危机，同时带来的环境污染问题也不断恶化。因此，高效、节能、安全、环保的能源系统受到各国政府、研究机构及企业的广泛重视。燃料电池以其能量转化效率高、无污染等优点，在交通、军事和便携式电源灯方面有着广泛的应用前景。

催化剂在燃料电池中起着至关重要的作用。燃料电池所用的催化剂无论阴极催化剂还是阳极催化剂，均是以Pt系金属为主的贵金属催化剂。Pt系金属的价格昂贵，在成本中占有很大的比重，加之这类催化剂受到资源的限制等原因，开发高活性的新型催化剂，提高其利用率和降低用量，一直是燃料电池研究人员努力的方向。近几年，人们发现采用Pd作为燃料电池催化剂效果明显，研究取得了一定成果^[1～2]。

Pd催化剂是近年来燃料电池中新兴的催化剂，对燃料电池的催化氧化效果显著^[3～4]，逐渐引起了人们的重视。燃料电池Pd催化剂主要在直接醇类燃料电池(DAFC)^[5]、直接甲酸燃料电池（DFAFC）^[6～7]以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）^[8～9]等方面的应用研究比较广范，在醇类燃料电池中应用前景较为广阔。许加欣^[10]等通过电化学还原法合成出刺状Pd纳米粒子。透射电镜（TEM）和电化学循环伏安（CV）研究表明，与商业Pd黑催化剂相比较，刺状Pd纳米粒子对乙醇氧化的电催化活性提高，氧化电流密度是商业Pd黑催化剂的2倍；相同电流密度下，刺状Pd纳米粒子催化剂对乙醇的氧化电位均更低。在催化剂载体方面，Qin^[11]报道了分别用p-CNFs，f-CNFs和t-CNFs三种碳纳米材料作Pd催化剂载体，测试这三种催化剂对碱性环境中乙醇的催化氧化性能差异。结果发现Pd在p-CNFs载体上表现出较高的催化活性，具有一定的商业应用价值。

从目前对催化剂的研究结果来看，催化剂的制备方法是影响其催化活性的一个方面，因为不同的制备方法得到的催化剂具有不同的比表面积，结晶状态，分散度等。Mikolajczuk^[12]选择甲醛和较为便宜的碳材料（CML）分别作为还原剂和载体，制备了用于直接甲酸燃料电池Pd/CML催化剂。这种方法制备的催化剂比表面积为300m²/g、纳米粒径在2.7左右nm，很好地控制了纳米颗粒的团聚。电化学测试表明，Pd/CML催化剂的电催化活性与商用的20wt%Pd/C的活性非常接近，这可能是由于制备方法对电催化活性的改进。

人们已经认识到Pd金属催化剂在燃料电池中具有重大的商业价值。虽然Pd金属催化剂的催化机理和中毒机理方面目前还没有被完全了解，随着人们对Pd金属催化剂的研究深入，Pd金属在未来很有可能取代Pt成为燃料电池的新型催化剂。

本发明采用次亚磷酸钠（NaH₂PO₂）作还原剂，通过液相还原法制备出Pd/C纳米催化剂，主要研究其对乙醇的催化氧化活性。由于目前直接乙醇燃料电池研究有限，以及各个实验体系不同等原因，尚无本发明的类似报道。

参考文献

[1] Takashi O, Ryuichi H, Koshiroh T., et al. Direct room-temperature synthesis of a highly dispersed Pd nanoparticle catalyst and its electrical properties in a fuel cell[J]. Powder Technology, 2011, 205(1-3):143-148

[2] Mahendiran C, Maiyalagan T, Scott K, et al. Synthesis of a carbon-coated NiO/MgO core/shell nanocomposite as a Pd electro-catalyst support for ethanol oxidation [J]. Materials Chemistry and Physics, 2011, 128(3):341-347