[发明专利]基于多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将多孔碳、作为金属盐前驱体的氯金酸(III)和水混合，得到第一混合物，搅拌至混合均匀，再加入作为还原剂的硼氢化钠水溶液，搅拌均匀，得到第二混合物，过滤，洗涤得到超细亚纳米金复合材料电催化剂。本发明用模板法合成一种多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂，反应操作简单易行，所需设备简单，可重复性高，且制得的复合材料具有产率高、电化学稳定性好、电化学活性面积大等优点，可以在电催化醇氧化反应领域得到广泛应用。

技术领域

本发明属于醇氧化反应电催化材料技术领域，具体来说涉及一种基于多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池作为清洁能源，近年来在电源和催化等领域得到广泛关注，对保护环境有着重要的作用。其中直接醇燃料电池是近年来在电源和催化等众多领域被广泛关注与重点研究的一类新型燃料电池，它直接以醇为燃料，将醇氧化反应时产生的化学能转变成电能的发电能源装置，其工作原理非常简单，主要由阴极、阳极、质子交换膜及双极板等组成。工作时，醇在阳极上被催化氧化为CO₂，同时产生电子和质子，其中质子经质子交换膜由阳极到达阴极，在催化剂作用下使阴极室的氧还原，生成H₂O。电子经外电路由阳极到达阴极，并通过外电路做功并构成电回路。以甲醇或乙醇等作燃料，其来源丰富、价格便宜、毒性小、常态为液体、易于携带储存、电化学活性和燃烧效率较高，具有在室温下工作、重量轻、体积小、结构简单、维修方便、污染小和易操作等诸多优点，且相比于气体燃料(甲醇4.82kWhL^-1，乙醇6.34kWhL^-1，氢在20MPa情况下0.53kWhL^-1)有相对较高的能量密度。因此，直接醇燃料电池被广泛应用于便携式设备，可作为小型电站、车辆用动力电源以及轻便设备的主要电源，在国防、能源和通讯等领具有广阔的应用前景，近年来倍受产业界青睐。然而直接醇燃料电池的实际应用由于催化剂的性能太低而在一定程度上受到了限制。醇的氧化需要活性高的催化剂，存在较高的过电位，这主要是由于醇在氧化过程中所产生的CO等中间产物会变为附着物使电极表面产生严重中毒的缘故，因而需要提高温度以提高氧化速度，但这就大大限制了直接醇燃料电池在室温下的使用效果。目前普遍应用的商用Pt/C催化剂就很容易中毒而影响催化剂的稳定性，导致催化性能降低，电氧化动力学较为缓慢，仅能达到约10^-4A/mg数量级的电流密度，且多圈应用后极易失活，导致电流密度快速下降。除铂之外，金电极也会被用于醇氧化的催化剂。但抛光后的金电极虽然有光滑的表面，但催化活性位点暴露较少，使得醇氧化电催化性能(电流密度)受到极大的限制，同时抗毒化能力也较弱。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂的制备方法，该制备方法简便易行，产率高，可重现性好。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的超细亚纳米金复合材料电催化剂，该超细亚纳米金复合材料电催化剂具有高暴露的亚纳米级多催化活性位点，电化学活性面积大，电流密度高，抗中毒效果优异，可作为醇氧化电催化应用，稳定性好。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种基于多孔碳支撑的超细亚纳米金复合材料电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将多孔碳、作为金属盐前驱体的氯金酸(III)和水混合，得到第一混合物，搅拌至混合均匀，再加入作为还原剂的硼氢化钠水溶液，搅拌均匀，得到第二混合物，过滤，洗涤得到超细亚纳米金复合材料电催化剂(Au@NPC)，其中，按物质的量份数计，所述硼氢化钠水溶液中硼氢化钠与氯金酸的比为1：1，所述多孔碳的质量份数与所述氯金酸的物质的量份数的比为(800～850):1。

在上述技术方案中，当所述物质的量份数的单位为mmol时，所述质量份数的单位为mg。

在上述技术方案中，所述氯金酸通过氯金酸水溶液的形式加入。