[发明专利]一种担载纳米铂钌合金的掺氮石墨烯催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池电催化剂的制备方法，具体地说，是一种用于直接甲醇燃料电池的电催化剂及其制备方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

直接甲醇燃料电池是将甲醇和氧气中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，具有能量密度高、燃料来源广泛，易于携带和储存、无需充电等特点。在愈发严峻的环境问题下，作为众多可替代的清洁能源之一的直接甲醇燃料电池要面向市场，需要解决的关键性问题还是提高催化剂的性能。目前，甲醇燃料电池的阳极催化剂主要是Pt-Ru/C，然而传统的Pt-Ru/C催化剂活性较低，铂的利用率较低，导致甲醇燃料电池的制造成本居高不下。

申请号200910155048.9公开了一种PtRu/石墨烯纳米电催化剂及其制备方法。该方法采用超声波处理将氧化石墨纳米片分散在液体多元醇中，并与氯铂酸溶液和氧化钌溶液充分混合，并在微波辐射下进行还原反应。该方法无法解决氧化石墨烯在溶液中易团聚的问题，难以担载形成粒径均匀的纳米级PtRu合金颗粒，所得的催化剂活性较差。

申请号201410497012.X公开了一种三维氮掺杂石墨烯载铀铜复合电催化剂，通过铜与铂形成合金，有效降低催化剂成本，而且提升了铂在酸性条件下直接电催化氧化甲醇的能力。然而铜作为一种活泼金属，其催化剂的使用寿命不足以满足燃料电池的实际应用需求。

申请号200810098869.9公开了碳氮纳米纤维负载铂钌纳米粒子电极催化剂及制备方法：将碳氮纳米纤维分散在含铂和钌二种金属盐的溶液中，采用还原剂还原，纯化后得到碳氮纳米纤维负载铂钌纳米粒子的电极催化剂。采用该方法合成催化剂单次产量较少且报道中所用的碳纳米纤维相较于石墨烯而言，其比表面积、电导性和抗腐蚀能力都较差。

发明内容

本发明的目的是提供操作简单且产量高的一种担载纳米铂钌合金的掺氮石墨烯催化剂及制备此催化剂的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种担载纳米铂钌合金的掺氮石墨烯催化剂，所述催化剂中铂的质量分数为30％～50％，钌的质量分数为10％～30％，余量为高比表面掺氮石墨烯；催化剂中铂的质量分数为10％～40％，钌的质量分数为10％～40％，余量为高比表面掺氮石墨烯；催化剂的制备方法是：首先在氨气氛围下，通过微波加热氧化石墨烯，得到高比表面掺氮石墨烯；再以多元醇为还原剂，通过微波回流工艺将铂钌前驱体还原并沉积在高比表面掺氮石墨烯载体上，并通过热处理工艺后得到催化剂。

优选的催化剂中合金的质量分数为40～60％，其原料组分按重量份计，称取1～2g掺氮石墨烯、100～200g去离子水、130～200g20-30g/L的六水合氯铂酸的多元醇溶液、60～100g20～30g/L的三氯化钌水溶液、100～200g多元醇，1M/L的碱溶液10～40g于1000mL烧杯中，搅拌；体系的pH为9～12，静置3-20min，超声搅拌10-30min，转入1000mL圆底烧瓶，微波回流，微波反应5～40min；待反应液冷却至室温后，用酸调节体系的pH为1～4，进行抽滤、洗涤、冷冻干燥得到掺氮石墨烯载铂钌合金催化剂。将所制备的催化剂在管式炉中，200～500℃、氮气氛围下煅烧1～3h。

作为优选方案，上述担载纳米铂钌合金的掺氮石墨烯催化剂，对甲醇的电氧化电流密度及抗CO毒性都高于同类型商用催化剂，其原料组分按重量份计，1.2g掺氮石墨烯、150g去离子水、20-30g/L的六水合氯铂酸的多元醇溶液165份，20-30g/L的三氯化钌水溶液83份，多元醇90份，1M的碱溶液20份。

所述的还原性多元醇为异丙醇、乙二醇、季戊四醇中的一种醇多种醇的混合溶液。优选乙二醇。

所述的碱为Na₂CO₃或NaOH，优选NaOH。

上述的微波回流工艺，具体步骤如下：

1)将各原料组分置于1000mL烧杯中，搅拌至体系pH为11～13；

2)将步骤1)中的反应体系进行超声搅拌10～20min，通氮气10～30min，然后在氮气保护下微波回流，回流时间5～40min；

3)待反应液冷却至室温后，用酸调节体系的pH为1～4，静置5～30min进行抽滤、洗涤、冷冻干燥得到掺氮石墨烯负载铂钌合金催化剂前体；

将上述步骤所制备的催化剂前体在管式炉中，200～500℃、氮气氛围下煅烧1～3h。

优选的，步骤2)中，微波功率为300W～800W，微波时间为5～40min。