[发明专利]涂覆型纳米钯薄膜催化电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于有机小分子（甲醇、乙醇、甲酸等）的电催化氧化，催化加氢等反应的涂覆型纳米钯薄膜催化电极及其制备方法，尤其涉及一种钴基底表面涂覆低钯载量纳米钯薄膜催化电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种新型的清洁能源，它可以将氢气、甲醇、乙醇、甲酸等燃料的化学能直接高效地转换为电能，并且具有燃料利用率高、能量密度高、清洁无污染等优点。其催化剂层是燃料电池的核心工作部件，燃料分子在催化剂表面的活性位点上发生氧化还原反应，进而产生电子在外电路输运，输出电能。众所周知，铂族金属（铂、钯、钌、铱、铑等）对燃料电池电极反应具有良好的催化活性。目前商业催化剂一般是通过化学还原或者微波辅助还原方法形成铂纳米颗粒并负载到碳粉上，均涉及到铂盐（氯铂酸钾、氯铂酸氨、氯铂酸等）的溶解、还原剂（硼氢化钠、柠檬酸钠、抗坏血酸等）以及多种表面活性剂的使用。铂族金属盐类具有较高的毒性，还原剂及表面活性剂等化学试剂的大量使用将产生极大的环境污染问题，对人们的健康会造成许多潜在的危害。同时铂纳米颗粒容易团聚导致工作过程中的不稳定及活性下降，并且无定形的纳米碳粉容易在电化学氧化环境下流失，进而造成催化剂及贵金属的流失。因此众多科研工作者一直致力于探索新型催化剂及相应电极的制备和处理方法，以提高燃料电池催化剂的活性，同时减少贵金属的用量以降低成本。同时，寻找合适的催化剂载体，使其对贵金属催化剂的催化活性起到进一步的促进作用，也是人们关注的热点。一般认为，某些过渡金属元素具有促进水分子的解离及易于吸附羟基的作用，往往被用来与贵金属形成相应合金，来缓解贵金属催化剂工作过程中由于吸附解离产物（如一氧化碳）发生催化剂中毒的现象，同时还可以产生两种金属之间相互的增效催化效应。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种催化活性高，抗中毒性能好，节约贵金属，工艺简单，适于大规模生产的涂覆型纳米钯薄膜催化电极及其制备方法。

本发明的涂覆型纳米钯薄膜催化电极，所述催化电极为直径为6—100毫米、高度为1—10毫米的金属钴片，所述金属钴片的纯度在99wt.%以上，在所述钴片的上表面涂覆有成分为10-100at.%的钯金属，两者为冶金结合，表面微观形貌为喷溅斑点状，斑点尺寸为0.01-100微米。

所述催化电极为直径为10—30毫米、高度为1—5毫米的金属钴片，所述金属钴片的纯度在99.5wt.%，在所述钴片的上表面涂覆有成分为20-99at.%的钯金属，两者为冶金结合，表面微观形貌为喷溅斑点状，斑点尺寸为0.1-10微米。

本发明的涂覆型纳米钯薄膜电极的制备方法，包括如下步骤：

一、将纯度在99wt.%以上的钴棒采用线切割方法切成圆片状钴片，依次用600目、2000目的金相砂纸研磨、抛光至光亮，分别在去离子水和无水乙醇中超声清洗5—60分钟，取出晾干；

二、将经过预处理的钴片，浸入0—50℃温度下的硅油浴中，置于液面以下0.1—50毫米，从所述钴片下表面引出导线，导线的另一端连接到金属表面电火花强化设备的工件电极端作为阴极，其源极端连接纯度为99.9wt.%的钯金属作为阳极，钯金属采用直径为0.5—10毫米的钯丝或厚度为0.3—5毫米的钯片；

三、设置电火花沉积电源电压为30—60伏特，电容为400—800微法，频率为40—80赫兹，缓慢移动钯金属阳极逐渐浸入硅油液面以下接触钴片，产生电火花放电，部分钯阳极材料堆焊到钴片表面形成微焊点，重复放电过程，使钯金属阳极材料均匀涂覆于整个钴片表面，形成连续钯薄膜，涂覆时间为5—100分钟，电火花放电涂覆速率为每秒放电1-10次，然后把涂覆完毕的钯薄膜电极取出，用去离子水、丙酮及无水乙醇超声清洗5—60分钟，在5—100℃条件下晾干并保存。

上述步骤一所述钴棒直径为6—100毫米，切割后的高度为1—10毫米。

所述钴棒直径为10—30毫米，纯度在99.5wt.%以上，切割后的高度为1—5毫米。

上述步骤一所述抛光后的钴片在去离子水和无水乙醇中超声清洗时间为10—50分钟。

上述步骤二所述硅油浴温度为0—50℃，钴片浸入液面下深度为1—2毫米。

上述步骤三所述电火花沉积电源设置电压为40—50伏特，电容为600微法，频率为50赫兹。

上述步骤三所述涂覆时间为5—60分钟，电火花放电涂覆速率为每秒1—3次，涂覆终止指标为钴片基底表面被钯的微堆焊点所完全覆盖。

上述步骤三所述晾干温度为10—50℃。