[发明专利]一种自支撑的新型甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于新型甲醇燃料领域，具体涉及一种自支撑的新型甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法。制备方法为通过化学气相沉积的方法在管式炉中制备三维石墨烯/泡沫镍：通过团簇束流沉积的方法制备PdNPs/三维石墨烯/泡沫镍：将经过切割处理后的三维石墨烯/泡沫镍放置于沉积腔中，在真空条件下，将Pd纳米粒子沉积到三维石墨烯/泡沫镍表面，得到PdNPs/三维石墨烯/泡沫镍。本发明的制备过程快捷，时间较短，制备获得样品可重复性高可大批量工业化生产。

技术领域

本发明属于新型甲醇燃料领域，具体涉及一种自支撑的新型甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法。

背景技术

由于传统化石燃料资源的逐步减少以及其对环境的有害影响，可再生及可持续能源的开发及使用变得越来越重要。燃料电池作为一种通过化学反应直接将化学能转化为电能的能源装置，因其高的能量转化效率、低的污染已经吸引了科学家们的广泛研究。其中直接甲醇燃料电池由于燃料易于获得、高的能量比密度并能够在低温下工作的特性被认为是极有前途的新能源装置。然而到目前为止，电极材料的高成本及低稳定性阻碍了直接甲醇燃料电池的发展，为了解决这些问题并提高燃料电池的催化性能，诸多研究均集中于在载体上负载金属催化剂以获得稳定的金属颗粒从而提升催化效率。Pd及Pd基催化剂由于其高丰度及低成本，在碱性介质中对甲醇有较高的催化活性并有强于Pt的抗毒化能力，因此Pd基催化剂可以作为很好的直接甲醇燃料电池的阳极催化剂。大多数传统方法获得的纳米颗粒具有较大的尺寸和形状，难以控制颗粒尺寸的分布也难以理解颗粒性质与催化性能之间的关系。液相合成的方法虽然可以制备具有窄的尺寸分布的Pd纳米粒子，但是粒子表面粘附的污染物很难除去。团簇束流沉积的方法很好的解决了这些问题，为制备获得具有洁净表面以及窄尺寸分布的Pd纳米粒子铺平了道路。

催化剂的支撑材料对催化剂尤其是金属催化剂的催化性能有很大的影响，石墨烯由于其独特结构以及优异的物理化学性质，自2004年以来已经吸引了越来越多的关注。石墨烯有很多出色的性质如高的电子迁移率、高的比表面积、高的导热系数、出色的热稳定性、高的硬度以及出色的透光率，因此石墨烯在能源、生物传感器、光伏器件和光电器件等领域呈现了巨大的优势和应用潜能。

石墨烯与金属纳米粒子复合已经展现出了出色的甲醇催化氧化性能，如：Tsang等人报道了Pd纳米粒子负载在沉积在泡沫镍表面的石墨烯气凝胶上在碱性溶液中展现了令人满意的甲醇催化氧化活性。Yuan等人报道了在石墨烯上分布良好的Au@Pt双金属纳米枝晶可以显著提高甲醇燃料电池的电催化活性及耐久性。然而大多数用于甲醇催化氧化的石墨烯是化学法还原的氧化石墨烯（rGO），它有一些固有的局限性如生产过程中有毒物质的使用，含氧基团的存在及石墨烯片之间的聚集导致的低导电性均影响了它在电化学催化当中的应用。与还原氧化石墨烯相比，化学气相沉积法（CVD）制备的石墨烯能够有效的克服这些缺点。特别是化学气相沉积法制备的三维石墨烯，由于其比表面积大、孔隙率高、导热性好是作为独立电极的理想材料。