[发明专利]增强直接醇类燃料电池催化剂稳定性和导电性方法

说明书

技术领域

本发明涉及增强直接醇类燃料电池催化剂稳定性和导电性方法。

从目前已有的研究来看，造成直接醇类燃料电池(DAFC)催化剂稳定性衰减的主要原因包括Pt纳米颗粒的迁移团聚、碳载体的腐蚀等。

催化剂中Pt粒子的粒径比较细小，具有较高的比表面能，其趋向于迁移团聚形成较大的颗粒以降低表面能；当Pt与载体之间的相互作用较弱时，Pt纳米粒子也容易在载体表面团聚长大，这就是当电极电势较低时，电催化剂性能衰减的主要原因；目前，DAFC电催化剂的载体主要以碳黑为主。微分电化学质谱研究表明，碳黑易于发生氧化，电位高于0.3V时，碳黑材料表面就可以明显检测出CO等吸附物的存在。而腐蚀后载体的塌陷造成了Pt颗粒聚集，导致催化剂电化学面积的降低，稳定性的下降。

发明内容

本发明为了解决现有直接醇类燃料电池催化剂性能衰降的机理中存在纳米级Pt在碳载体上的迁移和团聚及碳载体腐蚀问题，而提供提高直接醇类燃料电池催化剂稳定性的方法。

增强直接醇类燃料电池催化剂稳定性和导电性方法按以下步骤实现：一、将掺杂1％～30％过渡金属M掺杂的金属氧化物纳米管按60％～99％的质量比和1％～40％的碳氮源混合，然后加入水与有机溶剂的混合溶液，得混合物；二、将混合物超声波分散1～3h，得混合浆液；三、将混合浆液在40～90℃下干燥，得固体粉末；四、将固体粉末置于管式炉中，在300～800℃及惰性气体保护下加热0.5～3h，即完成直接醇类燃料电池催化剂复合载体的制备；四、按照微波辅助多元醇法沉积Pt粒子，即完成直接醇类燃料电池Pt基催化剂的制备；步骤一中的金属氧化物为CeO₂、TiO₂、ZnO、NiO、Fe₃O₄、V₂O₅、MnO₂、WO₃、MoO₃；步骤一中氮碳源苄胺、乙腈、吡啶、各种离子液体如咪唑型、吡啶型、哌啶型、吗啉型、季胺型；步骤一中水与有机溶剂的混合溶液的加入量占Pt基催化剂质量的10％～30％；步骤一中水与有机溶剂的混合溶液的质量为1～30∶1～30，有机溶剂为异丙醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、丁二醇、丁三醇或四甲基乙二醇；步骤一中Pt基催化剂为担载型Pt单金属催化剂、担载型Pt-N二元合金催化剂或担载型Pt-N多元合金催化剂，担载型Pt-N二元合金催化剂为担载型Pt-N合金、担载型Pt-N空心球型、担载型Pt基核壳型PtN催化剂或担载型Pt基核壳型NPt催化剂。

增强直接醇类燃料电池催化剂稳定性和导电性方法按以下步骤实现：一、将掺杂1％～30％过渡金属M掺杂的金属氧化物纳米管按60％～99％的质量比和1％～40％的碳氮源混合，然后加入水与有机溶剂的混合溶液，得混合物；二、将混合物超声波分散1～3h，得混合浆液；三、将混合浆液置于水热反应釜中，在温度为80～500℃、压力为0.1～5MPa的条件下反应1～48h，然后将产物置于真空干燥箱中干燥，即完成直接醇类燃料电池催化剂复合载体的制备；四、按照微波辅助多元醇法沉积Pt粒子，即完成直接醇类燃料电池Pt基催化剂的制备；步骤一中的金属氧化物为CeO₂、TiO₂、ZnO、NiO、Fe₃O₄、V₂O₅、MnO₂、WO₃、MoO₃；步骤一中氮碳源苄胺、乙腈、吡啶、各种离子液体如咪唑型、吡啶型、哌啶型、吗啉型、季胺型；步骤一中水与有机溶剂的混合溶液的加入量占Pt基催化剂质量的10％～30％；步骤一中水与有机溶剂的混合溶液的质量为1～30∶1～30，有机溶剂为异丙醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、丁二醇、丁三醇或四甲基乙二醇；步骤一中Pt基催化剂为担载型Pt单金属催化剂、担载型Pt-N二元合金催化剂或担载型Pt-N多元合金催化剂，担载型Pt-N二元合金催化剂为担载型Pt-N合金、担载型Pt-N空心球型、担载型Pt基核壳型PtN催化剂或担载型Pt基核壳型NPt催化剂。

本发明通过氮碳源碳化的方法在金属氧化物纳米管载体表面上包覆一定厚度的氮碳层，一方面提高载体的稳定性和导电性，另一方面，提高对Pt颗粒的锚定作用，故够有效地增加Pt基催化剂的稳定性，解决了碳载体的腐蚀及纳米级Pt在载体上的迁移、团聚问题。

附图说明