[发明专利]贵金属-Mn3O4-碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种贵金属-Mn₃O₄-碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着当代人类社会的迅猛发展，日益严重的能源与环境问题加速了新能源技术的开发与利用。燃料电池以其高的能量转换效率、环境友好而在当今社会备受人们关注。与传统热机相比，其理论能量转换效率高达85％-90％，实际的能量转换效率也在40％-60％之间，而热机的实际效率最高也只有40％。从节约能源的角度来讲，燃料电池显示出巨大的优势。然而，当今社会燃料电池技术并不能大规模的推广，主要原因是在电池堆里面起着电催化作用的催化剂为铂基贵金属催化剂，铂等贵金属的价格昂贵和资源匮乏严重制约着燃料电池技术的推广。20世纪90年代以来纳米技术的飞速发展，为铂基贵金属催化剂的制备技术了新的方向，纳米技术在减少铂基贵金属的载量和提高铂基贵金属催化剂的活性方面有着无法比拟的优势。

在合成纳米颗粒的过程中，由于纳米粒子的表面能很大，在不加入其它保护剂的情况下，颗粒极其容易团聚长大，因此，传统的合成纳米颗粒催化剂通常会加入保护剂来阻止纳米粒子的团聚来调控纳米颗粒的大小，但是保护剂的引入为后期催化剂的纯化带来了不便。保护剂通常是含有某些特殊基团有机分子或有机高分子，容易吸附在铂颗粒的表面，如果不处理干净，会影响到催化剂的电化学活性。另一方面，目前的报道已经表明一些氧化物和贵金属纳米颗粒的复合材料不仅可以降低贵金属的用量，而且可以提高贵金属催化剂的催化活性，但是如何高效、低成本的合成这些复合材料，如何控制复合材料中的贵金属纳米颗粒的尺寸与分布，以及如何提高这些复合材料在使用过程中的性能都存在许多要解决的问题。碳纳米管作为催化剂的载体已经被广泛研究和实际使用，其高比表面积和良好的导电性能使其能够有效地提高复合的催化剂性能，但是如何在碳纳米管上均匀地复合氧化物，以及氧化物与贵金属的复合物目前仍然存在着很大的挑战。

因此，发展一种简单、经济、绿色、适于大规模生产的制备贵金属及其双金属-氧化物-碳纳米管复合材料的技术具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种贵金属-Mn₃O₄-碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。

本发明提供的贵金属-Mn₃O₄-碳纳米管复合材料，由作为载体的碳纳米管、负载在所述碳纳米管表面的Mn₃O₄及负载在所述Mn₃O₄表面的贵金属颗粒组成。

上述复合材料中，所述碳纳米管的长径比为1微米-30微米∶20纳米-100纳米，具体为5微米-15微米∶40纳米-60纳米；

所述Mn₃O₄的粒径为3纳米-30纳米，具体为5纳米-20纳米；

所述贵金属颗粒的粒径为1纳米-5纳米，具体为2纳米-3纳米；

构成所述贵金属颗粒的元素选自铂、钯、铑、钌、金和银中的至少一种；

所述贵金属在复合材料中的重量百分含量为1-30％，具体为5-15％，更具体为13％；

所述贵金属和锰元素的摩尔比为1∶5-45，具体为1∶15。

所述贵金属-Mn₃O₄-碳纳米管复合材料亦为按照前述方法制备而得的产物。

本发明提供的制备所述复合材料的方法，包括如下步骤：在有机极性溶剂中分散所述碳纳米管后，加入锰盐的溶液进行水解反应得到Mn₃O₄-碳纳米管复合物后，再加入可溶性贵金属盐的溶液进行还原反应，得到所述复合材料。

该方法中，所述水解反应步骤中，温度为50-95℃，优选80℃，时间为0.5-4小时，具体为1小时；

所述还原反应步骤中，温度为50-95℃，优选70℃，时间为0.5-4小时，具体为2小时。

所述有机极性溶剂选自N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙醇、乙二醇和甲醇中的至少一种；具体为N，N-二甲基甲酰胺。

所述锰盐选自乙酸锰、氯化锰、硫酸锰和硝酸锰中的至少一种，具体为乙酸锰；

所述可溶性贵金属盐中的贵金属选自铂、钯、铑、钌、金和银中的至少一种。

所述碳纳米管、锰盐和可溶性贵金属盐的投料摩尔用量比为0.4-4.8∶0.06-0.96∶0.004-0.128，具体为1.6∶0.24∶0.032。

所述溶液均为水溶液。