專利名稱：一種納米級純鉑電催化劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學催化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于直接甲醇燃料電池的一種納米級純鉑(Pt)催化劑的制備方法。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池是一種可以通過甲醇與氧的電化學反應(yīng)，將儲藏在其中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能并向外輸出的發(fā)電裝置。目前的直接甲醇燃料電池主要是在質(zhì)子交換膜燃料電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它不但繼承了質(zhì)子交換摸燃料電池高效、比能量高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、低溫工作的優(yōu)點，更以其燃料來源豐富、價格低廉、儲存攜帶方便、安全性高等優(yōu)點，得到人們的青睞。近年DMFC的發(fā)展速度遠遠超出了人們的預料，業(yè)內(nèi)人士認為是最有可能在短期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的燃料電池。它的實用化對解決環(huán)境污染，提高資源利用率，加強國防建設(shè)均具有重要的戰(zhàn)略意義。
由于其良好的電催化性能，純鉑以及鉑基催化劑已經(jīng)廣泛運用于直接甲醇燃料電池，至今尚未有替代品。純鉑以及碳載鉑催化劑主要用于直接甲醇燃料電池陰極，氧的催化劑還原。高性能的催化劑特征是高的電化學活性表面積，高導電性。納米純鉑催化劑的制備方法有(1)模板法模板法制備納米鉑膠體主要是通過選擇具有不同孔徑的材料，如一些介孔材料或聚合物材料，作為納米鉑生成的模板，得到所需孔徑的納米鉑顆粒，然而模板的孔徑限制了生成的鉑顆粒繼續(xù)長大。
(2)微乳法Yadav等在文獻([J].Colloids and Surfaces APhysicochem EngAspacts.2003，211131~134)中采用雙二乙基己基琥鉑酸鈉(AOT)、環(huán)己烷和水形成一種反膠束微乳液體系，來合成納米鉑。該法將鉑鹽溶液與包含有AOT和環(huán)己烷的有機相混合，以水合肼為還原劑，控制其中水合肼與鉑鹽的摩爾比，以確保整個鉑鹽的還原過程在微乳液的膠束體系內(nèi)部進行。所得到的催化劑具有良好的催化的性能。
上述方法雖然能制備出較好的催化劑，但過程相對復雜，工藝條件不好控制，參數(shù)要求較為嚴格，擴大量產(chǎn)方面還有不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是建立操作簡單，易于控制，成本低廉，適于大量生產(chǎn)的直接甲醇燃料電池用的一種納米級純鉑(Pt)催化劑的制備方法。并使催化劑能達到國外同類產(chǎn)品水平。
所述納米級純鉑(Pt)電催化劑的制備步驟如下1)穩(wěn)定液的制備(1)量取鉑化合物水溶液，其含Pt濃度為0.1g/L～15g/L；(2)按穩(wěn)定劑與鉑化合物水溶液中鉑含量的摩爾比為0.25∶1～4∶1比例稱取穩(wěn)定劑，加入上述鉑化合物水溶液中，攪拌均勻，配成溶液A；(3)使用1M NaOH、KOH水溶液或NH3·H2O調(diào)節(jié)溶液A的pH值到5～11；(4)將溶液A，40℃~90℃恒溫水浴并持續(xù)進行機械攪拌，保持1~30h。
2)還原劑的制備(1)將還原劑硼氫化鈉，次磷酸鈉或甲醛加入去離子水中；(2)在一定環(huán)境下將穩(wěn)定液A用滴液漏斗以2ml/min～20ml/min的速度加入到步驟(1)的硼氫化鈉(NaBH4)的水溶液中。
(3)反應(yīng)1～5h，即得到還原劑。
3)收樣沉降，過濾，用去離子水洗滌樣品；4)在60℃～80℃溫度下真空干燥3～5h，得到粒徑約為2～5nm的鉑催化劑。
所述鉑化合物水溶液為氯鉑酸(H2PtCl6)溶液、氯鉑酸氨溶液或氯鉑酸鈉溶液。
所述穩(wěn)定劑為檸檬酸、二水合檸檬酸三鈉或聚丙烯酸鈉。
本發(fā)明的有益效果是所制得催化劑粒徑小，約為2~5nm，分布集中，有良好的電催化性能，單電池測試結(jié)果，其極限輸出功率、穩(wěn)定性略優(yōu)于國外JohnsonMatthey公司同類產(chǎn)品。整個過程操作簡單，易于控制，適合量產(chǎn)。


圖1.本發(fā)明實施實例1自制鉑黑催化劑與Johnson Matthey公司同型產(chǎn)品XRD表征比較圖。
圖2.本發(fā)明實施實例2的透射電鏡照片及粒徑分布圖。
圖3.本發(fā)明實施實例2自制催化劑與自制鉑黑催化劑與Johnson Matthey公司同型產(chǎn)品的單電池性能(60℃ 1M甲醇/空氣)對比圖，其中陰極分別為自制鉑黑與Johnson Matthey鉑黑，陽極均為Johnson Matthey鉑釕黑。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種納米級純鉑(Pt)催化劑的制備方法。下面例舉實施例對本發(fā)明予以說明。
實施例1量取氯鉑酸(H2PtCl6)溶液135.2ml，含Pt 1g，稱取0.75g二水合檸檬酸三鈉或檸檬酸，加入上述氯鉑酸(H2PtCl6)溶液。使用1M NH3·H2O溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值到6～8之間。將溶液，放入50℃水浴中，穩(wěn)定8h，溶液水浴過程持續(xù)進行機械攪拌。稱取50g硼氫化鈉(NaBH4)溶于500ml去離子水中，待用。將穩(wěn)定后的溶液用滴液漏斗以10ml/min的速度加入到還原劑中。反應(yīng)時間為3h。反應(yīng)完成后，溶液沉降，過濾，用2L去離子水洗滌樣品。80℃真空干燥5h，得到納米級純鉑催化劑(又稱鉑黑)收率＞90％，顆粒大小為4.1nm，略小于JohnsonMatthey公司同類產(chǎn)品(如圖1所示)。
實施例2量取氯鉑酸(H2PtCl6)溶液或氯鉑酸氨溶液含Pt 3g，稱取2.25g聚丙烯酸鈉，加入上述氯鉑酸(H2PtCl6)溶液。使用1M NH3·H2O溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值到9～10之間。將溶液，放入60℃水浴中，穩(wěn)定20h，溶液水浴過程持續(xù)進行機械攪拌。稱取150g硼氫化鈉(NaBH4)溶于1500ml去離子水中，待用。將穩(wěn)定后的溶液用滴液漏斗以20ml/min的速度加入到還原劑中。反應(yīng)時間為5h。反應(yīng)完成后，溶液沉降，過濾，用3L去離子水洗滌樣品。70℃真空干燥5h，得到納米級純鉑催化劑，收率＞90％，顆粒大小為2~4nm，分布均勻(如圖2所示)。單電池測試效果優(yōu)于Johnson Matthey公司同類產(chǎn)品(如圖3所示)。
建立操作簡單，易于控制，成本低廉，適于大量生產(chǎn)的直接甲醇燃料電池用的并使催化劑能達到國外同類產(chǎn)品水平。
權(quán)利要求
1.一種納米級純鉑電催化劑的制備方法，其特征在于，所述納米級純鉑電催化劑的制備步驟如下1)穩(wěn)定液的制備(1)量取鉑化合物水溶液，其含Pt濃度為0.1g/L～15g/L；(2)按穩(wěn)定劑與鉑化合物水溶液中鉑含量的摩爾比為0.25∶1～4∶1比例稱取穩(wěn)定劑，加入上述鉑化合物水溶液中，攪拌均勻，配成溶液A；(3)使用NaOH、KOH水溶液或NH3·H2O調(diào)節(jié)溶液A的pH值到5～11；(4)將溶液A，40℃～90℃恒溫水浴并持續(xù)進行機械攪拌，保持1～30h；2)產(chǎn)品的制備(1)將還原劑硼氫化鈉，次磷酸鈉或甲醛加入去離子水中，其中0.1～5g鉑催化劑用50gNaBH4、次磷酸鈉或甲醛；(2)在一定環(huán)境下將穩(wěn)定液A用滴液漏斗以2ml/min~20ml/min的速度加入到步驟(1)的還原劑水溶液中；(3)反應(yīng)1～5h，即得到產(chǎn)品；3)收樣沉降，過濾，用去離子水洗滌產(chǎn)品；4)在60℃～80℃溫度下真空干燥3～5h，得到粒徑約為2～5nm的鉑催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米級純鉑電催化劑的制備方法，其特征在于，所述鉑化合物水溶液為氯鉑酸H2PtCl6溶液、氯鉑酸氨溶液或氯鉑酸鈉溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述納米級純鉑電催化劑的制備方法，其特征在于，所述穩(wěn)定劑為檸檬酸、二水合檸檬酸三鈉或聚丙烯酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電化學催化技術(shù)領(lǐng)域的一種納米級純鉑電催化劑的制備方法。該納米級純鉑電催化劑用于直接甲醇燃料電池。其制備方法在鉑化合物水溶液中加入穩(wěn)定劑，并控制溶液pH值和溫度。形成穩(wěn)定液后在一定條件下進行還原得到無擔載催化劑。本方法制得的催化劑粒徑為2～5nm，粒徑分布集中，制備方法簡單，易于操作，成本低廉，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。單電池測試表明，該催化劑與國外同類產(chǎn)品性能相當。
文檔編號B82B3/00GK101036885SQ200710065369
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者謝曉峰, 王要武, 吳韜, 郭建偉, 尚玉明, 王樹博 申請人:清華大學