[发明专利]一种应用于燃料电池领域的PdCu合金纳米催化剂及制备方法

说明书

本发明公开了一种应用于燃料电池领域的PdCu合金纳米催化剂及制备方法，属于电催化领域。本发明利用乙酰丙酮钯和二水合氯化铜为前驱体，在氢气气氛下，通过简单的一步水热法合成具有多种形貌的PdCu合金纳米材料。相比于质量分数为20％的商业Pt/C，本发明所制备的PdCu合金纳米材料具有优异的氧还原性能和稳定性能。本发明方法操作简单，可控性强，具有一定的普适性。

技术领域

本发明涉及一种应用于燃料电池领域的PdCu合金纳米催化剂及制备方法，属于电催化技术领域。

背景技术

随着全球能源消耗的急剧增加，传统能源使用中产生的不利影响在一定程度上对人类健康、环境以及能源安全造成了严重的威胁。发展环保、安全、高效和清洁的能量转换工艺变得刻不容缓，这也是全球能源领域发展的一个不可转变的趋势。

燃料电池从出现、发展到现在大概拥有一百七十多年的历史。1838年，著名化学家G.R.Grove首次提出燃料电池的概念，到了十九世纪中期，质子交换燃料电池问世后受到了各个国家的关注，2007年，燃料电池得到商业化的应用。近年来，随着环境问题的日益加剧、政府的重视以及科学技术的进步，燃料电池进入了一个崭新的时代。

燃料电池是一种将一些有机小分子中的化学能转化为电能的清洁高效和可持续的能量装换装置。在燃料电池阴极部分，铂基纳米材料被认为是当今最好的催化氧气还原的纳米材料，但是因为它的高成本、稀缺性、稳定性差、耐甲醇能力弱、以及缓慢的动力学过程等缺点，严重阻碍了其在商业领域的广泛应用。因此，发展一些非铂纳米催化剂来推动燃料电池的发展显得尤为重要。相比碳化物、氧化物以及氮化物等其它非铂材料，钯基材料拥有较优异的稳定性、耐甲醇能力以及相对较低的成本。但是，对于单纯的钯材料而言，其电催化氧还原性能表现的不尽人意。众说周知，纳米材料的催化性能往往受到其本身的形貌、电子结构和组成成分的影响，因此，近年来，为了提高钯基材料的催化活性，许多科研工作者合成了众多形貌的PdCu纳米催化剂，比如：片状、八面体、球状、枝状以及笼状等。此外，将钯与其它的一些过渡金属(如；铁、钴、镍、铜、锌)合金化也是一种提高钯基纳米材料活性的有效措施。比如，最近有人合成的核壳结构的Ni-Pd合金，但是在碱性的条件下的半波电位只有0.86V，在稳定性测试的实验中经历了3000圈后活性出现了衰减的现象。此外，还有报道合成得到了PdCu基纳米颗粒，但是其的半波电位也只有在0.867±0.010V，在循环10000圈后活性也出现了明显的衰减现象。

发明内容

【技术问题】

现有的钯基纳米催化剂的催化性能，尤其是稳定性较商用Pt/C较差。

【技术方案】

为了解决上述问题，本发明提供了一种PdCu合金纳米催化剂及其制备方法，本发明方法工艺简单、成本较为低廉，制备的PdCu合金纳米材料具有优异的氧化原活性和稳定性，在碱性条件下表现出的半波电位为0.901V，循环了22000次都几乎没有表现出衰减的迹象，能够应用于燃料电池领域。

本发明的第一个目的是提供一种PdCu合金纳米催化剂的制备方法，所述方法以乙酰丙酮钯和氯化铜为前驱体，加入调控剂，用油氨作为溶剂，在氢气的作用下，升温至160～165℃反应2～4小时，固液分离即可得到PdCu合金纳米催化剂，其中，所述调控剂为卤化物、表面活性剂和小分子有机物。

在本发明的一种实施方式中，所述卤化物包括氯化铵，溴化铵或碘化铵；所述表面活性剂优选为低分子量的表面活性剂，如十六烷基溴化铵，十八烯或聚乙烯吡咯烷酮等；所述小分子有机物包括抗坏血酸，乙二醇或柠檬酸等。

在本发明的一种实施方式中，所述乙酰丙酮钯和氯化铜的质量比为1.1～3.5；调控剂的加入量为前驱体质量的1～3倍。

在本发明的一种实施方式中，所述乙酰丙酮钯和氯化铜的比例优选为3.34:1。