[发明专利]一种直接醇类燃料电池专用阳极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接醇类燃料电池专用阳极催化剂的制备方法，属于燃料电池催化剂领域。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池以高效、环境友好等特点被誉为21世纪的新能源，它是一种在电解质存在时引发燃料和氧化剂之间的反应的发电装置。电池工作时，负极连续输入燃料，发生氧化反应，而在正极连续供给氧化剂（氧气或空气）时发生还原反应。原则上只要反应物不断输入，并不断排出反应产物，燃料电池就能连续不断的发电。

直接醇类燃料电池（DAFC）的问世，很大一部分原因是醇类来源丰富，价格低廉，存储、携带方便，成为近年研究的热点。然而直接醇类燃料电池（DAFC）的发展还取决于对醇完全氧化具有高催化活性和高选择性的电催化剂的研发，因此，国内外主要围绕提高催化剂性能展开了两方面的研究。

第一方面：催化剂载体的选择。迄今为止，铂是公认的纯电化学氧化最好的催化剂，但醇类电化学氧化的中间产物很容易吸附在铂电极上，使催化剂毒化，导致催化性能很快衰退。还有铂的价格昂贵，资源匮乏，提高了燃料电池的成本，最终限制了燃料电池的广泛应用。碳载铂催化剂的研制，使催化粒子高度分散、稳定，大大提高了催化剂铂的利用率，并增强其催化活性，便于铂回收利用。在此基础上，研究人员对其他碳材料在燃料电池的催化剂领域的应用也进行了研究和探索。石墨烯作为新型材料成为国内外的研究热点之一，与其他碳材料相比，它具有更高的机械强度，更大的理论比表面积；电化学活性位的分布更均一；具有非常好的热导和电导特性，作为催化剂载体既可以提高催化剂纳米颗粒在其表面的分散度，同时也使得电机和电解液有更大的接触面积，有利于电化学反应的进行，从而提高催化剂催化性能。目前已经出现以石墨烯为载体或单纯以碳纤维基为载体进行制备催化剂的方法。

第二方面：催化剂的制备方法。一般的，研究人员通过改进传统制备催化剂的方法提高催化剂的活性，催化剂的催化活性受到贵金属还原方法、金属催化剂组成、催化剂载体等很多因素影响。浸渍法是一种非常传统的制备贵金属催化剂的常用方法，Shawn D.Lin等在<<Journal of Physical Chemistry B>>1999年第103卷第1期“Morphology of cabon supported Pt-Ru electrocatalyst and the CO tolerance of anodes for PEM fuel cells”文中介绍在250℃左右用氢气还原，操作比较繁琐，金属粒径范围较宽，而且存在安全隐患。化学还原法是另一种使用较多的负载型Pt和Pt多组元催化剂的制备方法，在制备催化剂过程中，金属的形成是在液相中和载体表面中进行，金属晶核随机在载体表面上形成并且长大形成催化剂颗粒，造成所得的催化剂的颗粒分布不均匀，还需要大量的溶剂和过量的还原剂，不仅增加后处理的成本，而且还造成环境污染。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种直接醇类燃料电池专用阳极催化剂的制备方法，以便简化制备工艺流程、提高催化剂的催化活性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种直接醇类燃料电池阳极专用催化剂的制备方法，其创新点在于：利用石墨烯作为催化剂的载体材料，添加金属化合物，在溶剂的作用下，混合反应形成电纺液，所述电纺液中还加入有高分子材料，与石墨烯和金属化合物混合，保证电纺液浓度范围为5-21wt%；所述高分子材料的加入量为2～3wt%，再利用静电纺丝技术制备出具有膜结构的直接醇类燃料电池阳极催化剂；所述石墨烯和金属化合物按质量比为1：10～5：17。

进一步的，所述高分子材料为聚丙烯腈或Nafion液中的任意一种。

进一步的，所述金属化合物为氯铂酸、五水四氯化锡、乙酸铅中的氯铂酸和另外两种金属化合物中的任意一种组合或以上三种金属化合物的组合物。

进一步的，所述金属化合物选择两种或三种金属组合物的金属化合物时，控制金属的原子比为Pt：Sn或Pt：Pb=（1：1）～（3：1），Pt：Pb：Sn=（1：1：1）～（3：3：1）。

进一步的，所述溶剂为乙二醇溶液或N,N-二甲基甲酰胺溶液中的任意一种。

进一步的，所述电纺液制备采用水浴加热反应的方式，具体步骤如下：