[发明专利]一种以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为清洁的能源，燃料可再生，来源广泛，储备安全，环境友好，其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，且能量转换率较高，发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时噪音小，尤其适合于便携式电源和电动汽车。除此之外，采用质子交换膜燃料电池氢能发电可以大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，极大地提高智能化程度、节能水平和环保效益。因此，质子交换膜燃料电池是一种极有发展前途的清洁能源。

在质子交换膜燃料电池中，催化剂是核心组成部分，也是决定电池成本和性能的关键材料。常用的载体有碳黑（XC-72）、碳纳米管（MWCNTs）和介孔碳，碳黑是目前广泛应用的催化剂载体之一，但其抗腐蚀性较弱，稳定性差；碳纳米管表面呈惰性，缺乏活性位，贵金属颗粒很难在其表面均匀沉积附着；介孔碳的多孔特性使得部分催化剂金属纳米颗粒可能会被包覆在孔道内，导致催化剂的利用率降低。因此，开发一种可以提高催化剂活性的新型载体成为燃料电池催化剂合成技术领域有待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂及其制备方法，制得的燃料电池催化剂能够有效提高燃料电池的电化学性能。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂，其特征在于：该燃料电池催化剂是在纳米电缆载体上负载一元、二元或多元贵金属活性组分而形成的，其中纳米电缆载体是以金属纳米纤维为核、石墨碳为壳的一维纳米电缆结构，金属纳米纤维为Ag、Cu、Al、Fe、Mg、Zn或Mn，一元贵金属活性组分为Pt或Pd，二元贵金属活性组分为PtRu、PtRh、PtCu、PdRu、PdRh或PdCu，多元贵金属活性组分为PtPdRu、PtPdRh或PtPdCu。

进一步优选，所述的纳米电缆载体的直径为50-500nm，长度为300nm-10μm。

进一步优选，所述的贵金属活性组分的粒径为1-10nm。

本发明所述的以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将碳源和金属源通过溶剂热法于100-200℃反应3-48h得到一维纳米电缆载体；

（2）将一维纳米电缆载体置于管式气氛炉中在氮气保护下于500-1000℃煅烧，然后在功能化试剂中进行加热回流处理1-5h得到功能化纳米电缆载体；

（3）将贵金属前驱体与功能化纳米电缆载体混合均匀，加入添加剂并通过碱液调节pH为8-12，然后通过还原剂还原得到相应贵金属载量的以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂；

其中碳源为葡萄糖、乙二醇、丙三醇、蔗糖、纤维素、壳聚糖或淀粉；

金属源为硝酸银、氯化铜、硝酸铝、氯化亚铁、硫酸镁、硫酸锌或氯化锰；

功能化试剂为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、氨水溶液、苯甲酸溶液、乙酸溶液或柠檬酸溶液；

贵金属前驱体为H₂PtCl₆、Na₂PdCl₄、PdCl₂、CuCl₂、RuCl₃或RhCl₃；

添加剂为草酸钠、HP-β-CD、壳聚糖、柠檬酸钠、邻苯二胺、邻苯二酚、邻苯二甲酸或水杨酸；

碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水溶液；

还原剂为KBH₄、NaBH₄、Na₂S₂O₃、抗坏血酸、水合肼、LiAlH₄、H₂或CO。

进一步优选，步骤（1）中金属源与碳源的摩尔比为1:5-20。

进一步优选，步骤（3）中燃料电池催化剂的贵金属载量为5%-40%。

本发明所述的以纳米电缆为载体的燃料电池催化剂用于催化氧化甲酸、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇或异丙醇。