[发明专利]一种纳米孔结构的炭载PtCu合金催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米孔结构的炭载PtCu合金催化剂及其制备方法，属于水电解-有机物电催化还原耦合技术领域。

背景技术

有机物加氢反应是食品、化工、能源等生产领域的重要过程，其与电解水结合制氢有可能成为未来主要的制氢方式。与电解制氢-催化加氢技术相比，利用水电解-有机物电催化还原耦合过程实现有机物加氢过程具有反应条件温和，无需额外提供氢源的特点，目前，只有以炭质材料为载体的Pt合金催化剂能应用在上述强酸腐蚀反应环境中，并能获得较高的电极反应电流密度及反应选择性。

由于我国铂族金属资源匮乏，虽然合金催化剂能降低催化电极的Pt含量，提高催化效率，但在催化剂反应选择性以及稳定性等方面还有待提高。多孔表面结构的催化剂由于具有独特的催化性能而用于上述反应过程，原因其一为增大了Pt合金催化剂的比表面积而相应提高表面反应活性位数量，原因其二为几何结构效应导致催化剂表面活性金属组分Pt原子间距减小、Pt-Pt间的电子云密度增大，减弱了氧化物的吸附，有利于实现催化活性的原位控制。

经对现有技术的文献检索发现，在美国专利US5998057和US6183898B1中，公开了用喷射（spraying）、粉刷（brushing）及印刷（printing）的方法将电催化剂固定在碳纸上制备多孔气体扩散电极的方法，其缺点是通常需要进行多次重复操作以达到所需要的厚度，生成的催化层较疏松，易出现催化剂脱落且往往存在较多的裂缝。

中国发明申请200810039485.X和200810039486.4公开了用电子束蒸发沉积及电沉积的方法将电催化剂固定在衬底上，然后用电化学刻蚀方法去合金化，制得铂纳米多孔电极。前者由于物质蒸汽压的差异，存在铂硅合金膜的组分难以控制而影响多孔电极的均匀性及重复性；后者在铂合金制备中的操作流程复杂，中间反应物难以去除，影响去合金化对电极孔隙率及孔径的有效控制。中国发明专利200710113844.7公开了采用置换反应的方法使纳米多孔铜的孔壁自发沉积薄层贵金属原子，但真空干燥难以去除海绵状纳米多孔铜的三维孔道中的NaOH等强碱性反应溶液，明显影响后续置换沉积贵金属的反应过程。中国发明申请200710051918.9也公开了一种电化学合金/去合金制备具有纳米孔结构的金电极方法，由于使用去合金化方法的前提是合金的形成，而在低于100℃含Zn有机溶液中，Au与沉积在其上的Zn形成Au₅Zn₃等合金物相的生成温度在300℃左右，因此，该方法生成的纳米孔结构金电极的孔隙率及孔径的控制难点在于生成的Au-Zn合金物相的有效含量及均匀性。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有多孔Pt基合金电催化剂制备方法中存在的反应时间过长、处理过程复杂、去除中间反应物困难、贵金属损失大、均匀性差等问题，现有多孔电极的结构性能较差的问题。

本发明的目的在于提供一种纳米孔结构的炭载PtCu合金催化剂，该催化剂以石墨纤维布为炭质载体，活性金属组分负载在石墨纤维布的单面上形成炭载PtCu合金催化剂，炭载PtCu合金催化剂厚度为60～80nm，炭载PtCu合金催化剂的表面为开式孔结构，孔密度为6.25×10¹⁰～4.00×10¹²cm^-2，孔径为5.0～40.0nm，孔壁厚度为1.0～2.0nm。

本发明所述催化剂的石墨纤维布上Pt含量为0.148～0.151mg/cm²，Cu含量为0.030～0.074mg/cm²；单位面积石墨纤维布与其所载的活性金属Pt的质量比值为1325:1～2365:1，单位面积石墨纤维布上所载的Pt和Cu的质量比值为2.0:1～4.9:1。

本发明所述石墨纤维布是平纹丙睛石墨纤维布，且面密度0.20～0.35g/cm²。

本发明的另一目的在于提供所述纳米孔结构的炭载PtCu合金催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：