[发明专利]一种碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

炭黑为燃料电池电催化剂最常使用的载体，由粒径为50~100nm的球形粒子组成。由于粒径小、且为球形的零维结构，因此在燃料电池工况条件下容易团聚、腐蚀，造成催化剂剥离，活性下降。碳纳米管和碳纤维都是碳家族中具有一维结构和高长径比的材料。不同的是，碳纳米管具有很高的石墨化程度，因此其导电性一般远远大于碳纤维，但比表面积却比碳纤维小。作为燃料电池电催化剂的载体，高导电性和高比表面积是必不可缺的条件，高导电性可以使催化剂的电化学电阻降到最低，而高比表面积可以最有效的分散贵金属活性组分。此外，碳纳米管具有高度规整的石墨结构，需要在强酸等条件下功能化处理才能负载催化剂活性组分，而碳纳米纤维则可以直接作为载体使用。因此，如何扬长避短，将二者的优点有效结合，是燃料电池研究领域的重要课题。一维碳纳米纤维或碳纳米管具有很高的长径比，因此特别适合作为抗团聚、耐腐蚀的燃料电池电催化剂载体。况且，碳纳米纤维或碳纳米管本身就可以作为氧还原催化剂。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备得到的碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料在燃料电池电催化剂或燃料电池电催化剂载体中的应用。本发明目的通过以下技术方案实现：

一种碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料的制备方法，包括以下制备步骤：

（1）碳纳米管-过渡金属催化剂的制备：将功能化处理的碳纳米管进行敏化和胶体钯活化前处理，然后将前处理后的碳纳米管放入含金属元素的化学镀液中进行化学镀反应，烘干后得到碳纳米管-过渡金属催化剂；

（2）碳纳米管-过渡金属-碳纳米纤维复合材料的制备：将步骤（1）的碳纳米管-过渡金属催化剂置于管式炉中，通氮气保护，将管式炉温度升温至500~550℃，通入氢气并保持0.5~2h；然后将管式炉温度升温至600~800℃，并通入氮气与乙炔的混合气作为碳源，在碳纳米管-过渡金属催化剂表面化学气相沉积生长碳纳米材料，沉积时间为0.5~2h；然后将氮气与乙炔的混合气转换为氮气，自然冷却至室温，得到碳纳米管-过渡金属-碳纤维复合材料。

进一步地，所述的功能化处理是指用含体积比为3:1的H₂SO₄和HNO₃在80~100℃回流处理10~15h，然后去离子水洗至中性，烘干；

进一步地，所述的敏化是指用含SnCl₂20~30g/L，HCl30~50mL/L的溶液在室温下处理2~3min；所述的胶体钯活化是指用含PdCl₂0.4~0.6g/L，HCl30~50mL/L的溶液在室温下处理4~5min。

进一步地，所述含金属元素的化学镀液是指含镍的化学镀液、含铜的化学镀液或含钴的化学镀液。

进一步地，所述含镍的化学镀液是指含NiSO₄30g/L，NaH₂PO₂10g/L，Na₃Cyt（柠檬酸钠）35g/L，Na₃PO₄50g/L的化学镀液；所述含铜的化学镀液是指含CuSO₄10g/L，Na₃Cyt24g/L，NiSO₄3g/L，H₃BO₃30g/L，NaOH10g/L和NaH₂PO₂30g/L的化学镀液；所述含钴的化学镀液是指含CoSO₄28g/L，NaH₂PO₂25g/L，Na₃Cyt60g/L和H₃BO₃30g/L的化学镀液。

进一步地，所述的化学镀反应是指在45~80℃下反应10~60min。

进一步地，所述的碳纳米管-过渡金属催化剂中过渡金属的质量为碳纳米管质量的40%~200%。