[发明专利]钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备领域，具体是涉及一种钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂的制备方法。

背景技术

钯基催化剂作为广泛应用于燃料电池、电化学催化和有机电合成等重要领域。近期研究表明，钯基催化剂在燃料电池领域有着逐渐替代传统铂基催化剂的趋势。在酸性介质中，钯基催化剂对甲酸电氧化的催化活性以及抗中毒性远高于传统的铂基催化剂；同时，在碱性介质中，钯基催化剂也表现出了对小分子醇类极高的电催化活性。这些现象表明了钯基催化剂在酸性以及碱性燃料电池领域中有很好的研究前景，研制钯基催化剂不但可以摆脱对金属铂的依赖性，而且还能大大降低催化剂成本。

钯-活性炭复合催化剂是最为常用的钯基催化剂。将钯纳米颗粒负载在活性炭表面可以提高其的分散性，获得更高的电化学活性比表面积（ECSA）以达到更高的催化效率。但是现阶段报道的制备方法仍然有着较为严重的缺陷，制约了钯基催化剂的应用。文献《Boron-Doped Palladium Nanoparticles on Carbon Black as a Superior Catalyst for Formic Acid Electro-oxidation. J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (19), 8366–8372》报道了一种硼参杂活性炭作为载体的Pd-B/C纳米催化剂，该方法使用二甲基胺基硼烷对活性炭进行改性，并使用PdCl₂作为钯前驱体，制备得到了钯-活性炭催化剂，其中钯纳米颗粒的平均粒径为3.6nm。但是该方法所使用的二甲基胺基硼烷价格较高，且制备方法较为复杂，无法应用于大规模的工业生产中。因此，如何设计并制备出分散良好，且催化性能高的钯基催化剂成为了该领域的研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以活性炭为支撑材料，在不使用稳定剂的条件下制备得到钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂。其中钯纳米颗粒的平均粒径为2.7nm，且分布均匀，且该催化剂有着极高的电化学活性比表面积（ECSA）与电催化活性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂的制备方法，其特征在于所述催化剂按以下步骤制备：

第一步，将活性炭在溶剂中超声分散得活性炭胶体溶液；

第二步，将硝酸钯溶液加入第一步所得的活性炭胶体溶液中，向其中加入水合肼，并搅拌；

第三步，将第二步得到的混合液经过滤、洗涤、干燥后获得钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂。

   其中，步骤一中所述的活性炭为Vulcan^? XC-72R；所述的溶剂选用去离子水、乙二醇或乙醇的一种或几种。

步骤二中所述硝酸钯溶液为Pd(NO₃)₂与HNO₃的混合溶液，摩尔比为3.73~4.96:1；Pd(NO₃)₂与活性炭的质量比为0.079~0.475:1。

步骤三中所述的水合肼溶液浓度为85 wt%。

步骤四中所得到的钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂中钯纳米颗粒的质量分数5~30 wt%。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）创新地应用了Pd(NO₃)₂溶液作为Pd前驱体，同时采用廉价的活性炭为载体，且无需任何预处理；（2）所得催化剂中钯纳米颗粒的平均粒径为2.7nm，因此该催化剂拥有极高的电化学活性比表面积（ECSA）与电催化活性;（3）所有反应均在常温常压下进行，反映条件温和，且不需使用价格昂贵的稳定剂；（4）应用本发明制备的钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂在燃料电池方面具有较好的应用前景和经济效益。

 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1 本发明钯纳米颗粒-活性炭纳米催化剂制备的示意图；

图2 本发明实例3所得钯纳米颗粒-活性炭（20 wt%）纳米复合材料的XRD图谱；

图3 本发明实例3所得钯纳米颗粒-活性炭（20 wt%）纳米复合材料的TEM照片。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。

结合附图1，钯纳米颗粒-活性炭（5~30 wt%）纳米催化剂，由以下步骤制备而得：

第一步，将活性炭Vulcan^? XC-72R在溶剂中超声分散得活性炭胶体溶液；