[发明专利]一种以碳纳米管为载体的纳米铂催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池氧还原电化学反应所用的以碳纳米管为载体的纳米铂催化剂及其制备方法，所述的碳纳米管载体其特征表面覆盖有一层原位生长的氧化锰亲水功能层，铂纳米颗粒则均一分散在该氧化锰亲水层上，并与其形成复合晶相。其制备方法的特征为利用碳纳米管表面覆盖的氧化锰功能层，使液相中铂离子与较低价态的锰发生置换反应，从而使得纳米铂原子层均一沉积到氧化锰上成型。该制备方法工序简单，合成的催化剂氧还原性能高，具有很好的产业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种氢燃料电池用氧还原催化剂及其制造方法，属于燃料电池催化剂技术领域。

背景技术

氢燃料电池是未来氢能社会的一个重要能源转化装置，能够将氢能高效转化为电能，并且在这过程中可以做到零碳排放。在氢燃料电池的研发进程中，一个重要的方面就是开发具有高氧还原活性，低贵金属使用量，长使用寿命的燃料电池电极催化剂。

现有的主要应用于Pt催化剂负载的为XC-72R活性碳，其导电性良好，但是存在着表面经过处理后的比表面积减小、负载量不高等问题。在非专利文献（薛师.基于氮掺杂多孔碳的铂纳米颗粒催化剂载体的研究[D].厦门大学,2018.）中披露了一种首先制备氮掺杂的多孔碳材料，并通过铂源负载及还原处理后，得到Pt负载于碳载体上的燃料电池催化剂。

研究表明，目前在氢燃料电池中广泛使用的高比表面积活性炭载体存在化学稳定性较差，导电性较低以及表面憎水性太强不利于催化剂表面形成良好的三相反应界面这些问题。要更好的解决上述问题，就需要寻找更加先进的新型碳载体，使其具备所需要的相应功能和特性。

另外，碳纳米管（CNT）也被进行了广泛的研究，例如在非专利文献（陈卫祥,韩贵,LEE Jim Yang,等.Pt/CNT纳米催化剂的微波快速合成及其对甲醇电化学氧化的电催化性能[J].高等学校化学学报,2003,24(12):2285-2287.）中也披露了一种基于CNT负载的Pt催化剂的制备过程。但是，由于CNT表面具有的疏水性，导致了Pt催化剂在其表面负载量低，使得材料的催化活性不好。

发明内容

本发明即致力于解决上述提及的技术问题，通过采用高化学稳定性，高导电率的一维碳纳米管作为一种新的载体，并对其进行表面氧化物包覆层修饰功能化，有效增强其表面亲水性。通过碳纳米管表面的功能化层与铂离子发生的置换反应，该载体能够将纳米铂颗粒高效分散在表面形成复合相结构。使用该制备方法所得催化剂作为燃料电池阴极应用时，表现出了更佳的电化学特性。

一种以碳纳米管为载体的纳米铂催化剂，其是在碳纳米管载体上负载有金属氧化物和Pt。

优选地，所述的碳纳米管载体是指单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者是含有它们的固形物。

优选地，所述的金属氧化物的通式是：M_xO_y，x和y是原子数，M为金属元素，且M的价态在+4价以下。

优选地，所述的M是VIB族、VIIB族、IB族或者IIB族元素。

优选地，所述的M是锰、铁、铜或者锌中的一种。

优选地，Pt呈纳米铂颗粒状态，其粒径为1-50nm；更优选是1-10nm；再优先1-3nm。

一种以碳纳米管为载体的纳米铂催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将金属的可溶性无机盐和碳纳米管载体加入至水中，进行水热合成，在碳纳米管载体的表面形成金属氧化物；

步骤2，将步骤1中得到的碳纳米管载体进行焙烧处理；

步骤3，将步骤2中得到的碳纳米管载体浸于含有铂源的水溶液中，使铂源与金属氧化物发生置换反应，得到纳米铂催化剂。

优选地，步骤1中，所述的可溶性无机盐选自金属M的无机盐，所述的M是VIB族、VIIB族、IB族或者IIB族元素。