本發(fā)明屬于鉑鐵催化劑材料制備工藝技術領域。特別涉及一種制備鉑鐵合金催化劑的方法。

背景技術：

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有功率密度高、起動性能好、運動部件少、污染少和噪音低等多項優(yōu)點，是舉世公認的高效、便捷及有益于環(huán)境的綠色能源裝置。電催化劑是燃料電池中的核心材料，其催化活性決定了電池的成本和工作性能。研制新型高性能、低成本電催化劑對推動燃料電池的發(fā)展至關重要。低溫燃料電池目前使用的催化劑主要為鉑基催化劑，然而鉑是價格昂貴的稀有貴金屬，其高昂的成本成為燃料電池商業(yè)化的最大障礙。在過去的幾十年中，人們一直在探索采用二元或多元催化劑，使pt與合金元素ru、ce、ni和fe等組成二元或多元催化劑降低pt的使用量。鐵是一種資源豐富并且價格便宜的金屬元素。由于鐵元素的添加，可以提高鉑電極的電化學催化活性和穩(wěn)定性。

在金屬材料制備過程中，磁場能夠?qū)⒏邚姸鹊哪芰繜o接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度，甚至直接影響材料中原子、分子、離子或晶粒的遷移、匹配和排列等行為，從而對金屬材料產(chǎn)生顯著的影響，實現(xiàn)新材料的制備與改性。穩(wěn)恒磁場在材料制備中主要有兩大作用。一是磁場通過洛倫茲力產(chǎn)生磁流體動力學效應控制流體流動，二是磁場的取向作用。磁場可對材料整體產(chǎn)生均一的取向作用；磁場的磁場強度、磁場方向容易控制，因此具有靈活性；并且在磁場下產(chǎn)生取向作用的材料范圍較廣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種制備鉑鐵合金催化劑的方法。

技術方案如下:

一種制備鉑鐵合金催化劑的方法，包括：

(a)對基體和鐵絲的表面除油，再采用超聲清洗后烘干；

(b)把鐵絲固定到基體上，放入含鉑鍍液內(nèi)，并施加磁場使鐵絲與含鉑鍍液反應；

(c)去除基體上固定的鐵絲，清洗基體上的沉積產(chǎn)物，得到鉑鐵催化劑。

所述(a)中采用有機溶劑對基體和鐵絲的表面除油。

所述(b)中含鉑鍍液的溫度為0～50℃、ph值為3～5。

所述(b)中含鉑鍍液主要由0.5～5g/l氯鉑酸、0.5～5g/l檸檬酸鈉和0.5～5g/l抗壞血酸組成。

所述(b)中施加磁場是通過超導線圈施加0.01～1t的磁場，使鐵絲與含鉑鍍液反應10～120分鐘。

所述(c)中用蒸餾水清洗基體上的沉積產(chǎn)物。

所述基體為玻璃碳、金剛石或碳纖維紙。

所述含鉑鍍液的制備方法如下：

（1）取0.5～5g/l氯鉑酸溶于蒸餾水中，形成氯鉑酸溶液；

（2）在氯鉑酸溶液中加入0.5～5g/l檸檬酸鈉，加熱使其完全溶解于氯鉑酸溶液；

（3）將溶液移至燒瓶中，加入蒸餾水、抗壞血酸后振蕩后，將上層清液舍棄，得到含鉑鍍液。

有益效果：

本發(fā)明提供的方法中，對基體和鐵絲的表面除油，再采用超聲清洗后烘干；把鐵絲纏繞到基體上，放入含鉑鍍液內(nèi)，并施加磁場使鐵絲與含鉑鍍液反應；去除基體上纏繞的鐵絲，清洗基體上的沉積產(chǎn)物，得到鉑鐵催化劑。在磁場下利用化學沉積制備出的鉑鐵催化劑電化學催化性能高，且貴金屬鉑的含量高。與現(xiàn)用技術相比，通過磁場對pt-fe合金形核和生長過程的影響，實現(xiàn)在磁場下制備具有較好催化活性的pt-fe合金催化劑的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例2不同磁場強度條件下獲得的pt-fe合金的表面形貌；

圖2為本發(fā)明實施例2不同磁場強度條件下獲得的pt-fe合金中pt和fe的含量分析結(jié)果；

圖3本發(fā)明實施例2為不同磁場強度條件下獲得的pt-fe合金x射線衍射圖譜(xrd)；

圖4為本發(fā)明實施例2不同磁場強度條件下獲得的pt-fe合金對甲醇氧化的催化性能測試結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于下述的實施例：

實施例1

一種制備鉑鐵合金催化劑的方法，包括：

(a)采用有機溶劑對基體和鐵絲的表面除油，再采用超聲清洗后烘干；本實施例中有機溶劑采用丙酮，基體為玻璃碳。

(b)把鐵絲固定到基體上，放入溫度為0℃、ph值為3的含鉑鍍液內(nèi)，并通過超導線圈施加0.01t的磁場，使鐵絲與含鉑鍍液反應10分鐘；含鉑鍍液主要由0.5g/l氯鉑酸、0.5g/l檸檬酸鈉和0.5g/l抗壞血酸組成。

(c)沉積20min，去除基體上固定的鐵絲，用蒸餾水清洗基體上的沉積產(chǎn)物，得到鉑鐵合金催化劑。

采用上述的方法可制得不同成分含量的鉑鐵合金催化劑。

上述含鉑鍍液的制備方法如下：

（1）取0.5g/l氯鉑酸1g溶于3ml蒸餾水中，形成氯鉑酸溶液；

（2）在氯鉑酸溶液中加入0.5g/l檸檬酸鈉10g，加熱使其完全溶解于氯鉑酸溶液；

（3）將溶液移至燒瓶中，加入蒸餾水20ml、0.5g/l抗壞血酸0.1g后振蕩后，將上層清液舍棄，得到含鉑鍍液。

制備工藝過程：將玻璃碳和鐵絲采用丙酮除油后，放入盛有蒸餾水的稱量瓶中，在室溫條件下以100w功率震蕩1分鐘超聲清洗后烘干，將玻璃碳上插入已對折好的鐵絲縫隙中，保證玻璃碳和鐵絲有效地接觸。將已夾好鐵絲的玻璃碳用夾具固定，緩慢放入制備好的含鉑鍍液中，將含鉑鍍液轉(zhuǎn)移到放有冰塊的玻璃器皿中。將玻璃器皿放入磁場中，保證基片與磁場方向平行。強度分別為0t(特斯拉)。沉積20分鐘后，將樣品取出，取下鐵絲，用蒸餾水沖洗掉表面殘余溶液，并冷風吹干玻璃碳和鐵絲。

實施例2

一種制備鉑鐵合金催化劑的方法，包括：

(a)采用有機溶劑對基體和鐵絲的表面除油，再采用超聲清洗后烘干；本實施例中有機溶劑采用丙酮，基體為碳纖維紙。

(b)把鐵絲固定到基體上，放入溫度為25℃、ph值為4的含鉑鍍液內(nèi)，并通過超導線圈施加0.15t(特斯拉)的磁場，使鐵絲與含鉑鍍液反應70分鐘；含鉑鍍液主要由2.5895g/l氯鉑酸、0.8818g/l檸檬酸鈉和1.7613g/l抗壞血酸組成。

(c)沉積溫度25分鐘后，去除基體上固定的鐵絲，用蒸餾水清洗基體上的沉積產(chǎn)物，得到鉑鐵催化劑。

采用上述的方法可制得不同成分含量的鉑鐵合金催化劑。

上述含鉑鍍液的制備方法如下：

（1）取2.5895g/l氯鉑酸1g溶于3ml蒸餾水中，形成氯鉑酸溶液；

（2）在氯鉑酸溶液中加入0.5g/l檸檬酸鈉10g，加熱使其完全溶解于氯鉑酸溶液；

（3）將溶液移至燒瓶中，加入蒸餾水20ml、0.5g/l抗壞血酸0.1g后振蕩后，將上層清液舍棄，得到含鉑鍍液。

制備工藝過程：將碳纖維紙和鐵絲采用丙酮除油后，放入盛有蒸餾水的稱量瓶中，在室溫條件下以100w功率震蕩1分鐘超聲清洗后烘干，將碳纖維紙上插入已對折好的鐵絲縫隙中，保證碳纖維紙和鐵絲有效地接觸。將已夾好鐵絲的碳纖維紙用夾具固定，緩慢放入制備好的含鉑鍍液中，將含鉑鍍液轉(zhuǎn)移到放有冰塊的玻璃器皿中。將玻璃器皿放入磁場中，保證基片與磁場方向平行。強度分別為0.15t(特斯拉)。沉積25分鐘后，將樣品取出，取下鐵絲，用蒸餾水沖洗掉表面殘余溶液，并冷風吹干碳纖維紙和鐵絲。

表面形貌觀察：使用掃描電子顯微鏡(sem)對制得的碳載鉑鐵合金催化劑表面形貌進行觀察，并使用附帶的能譜儀(eds)進行膜層的成分測定。觀察結(jié)果如圖1所示，圖1(a)、(b)和(c)分別是磁場強度為0、0.05和0.15t條件下的碳載鉑鐵合金催化劑表面形貌。從中可見，磁場促進了鉑鐵合金催化劑顆粒的沉積速率，并且顆粒的尺寸也有所增加。eds分析結(jié)果顯示如圖2所示，圖2(a)中0t條件下pt-fe合金中fe的含量為38.77wt.%；圖2(b)中0.05t條件下pt-fe合金中fe的含量為4.75wt.%；圖2(c)中0.15t條件下pt-fe合金中fe的含量為1.60wt.%。施加0t磁場獲得的沉積產(chǎn)物中pt/fe原子比約為0.44；施加0.05t磁場獲得的沉積產(chǎn)物中pt/fe原子百分比約為5.75；施加0.15t磁場獲得的沉積產(chǎn)物中pt/fe原子百分比約為17.4。因此，施加磁場促進沉積產(chǎn)物中pt含量增加。

物相分析：使用x射線衍射儀(xrd)對所制得的樣品進行物相分析，結(jié)果如圖3所示。39.827°是pt（111）晶面衍射峰，由圖可知，施加磁場后，促進pt（111）晶面的產(chǎn)生。

催化性能測試：圖4是pt-fe合金催化劑在甲醇溶液中的氧化活性掃描圖形。由圖可知，施加磁場后，可以獲得較高的甲醇氧化電流密度，說明施加磁場所獲得的pt-fe合金催化劑具有的電化學催化性能要優(yōu)于未施加磁場所獲得的催化劑。

與現(xiàn)用技術相比，本發(fā)明的特點及其有益效果是通過磁場對pt-fe合金形核和生長過程的影響，實現(xiàn)在磁場下制備具有較好催化活性的pt-fe合金催化劑的目的。

實施例3

一種制備鉑鐵合金催化劑的方法，包括：

(a)采用有機溶劑對基體和鐵絲的表面除油，再采用超聲清洗后烘干；本實施例中有機溶劑采用丙酮，基體為金剛石。

(b)把鐵絲固定到基體上，放入溫度為50℃、ph值為5的含鉑鍍液內(nèi)，并通過超導線圈施加1t(特斯拉)的磁場，使鐵絲與含鉑鍍液反應120分鐘；含鉑鍍液主要由5g/l氯鉑酸、5g/l檸檬酸鈉和5g/l抗壞血酸組成。

(c)沉積溫度30分鐘后，去除基體上固定的鐵絲，用蒸餾水清洗基體上的沉積產(chǎn)物，得到鉑鐵合金催化劑。

采用上述的方法可制得不同成分含量的鉑鐵合金催化劑。

上述含鉑鍍液的制備方法如下：

（1）取5g/l氯鉑酸1g溶于3ml蒸餾水中，形成氯鉑酸溶液；

（2）在氯鉑酸溶液中加入5g/l檸檬酸鈉10g，加熱使其完全溶解于氯鉑酸溶液；

（3）將溶液移至燒瓶中，加入蒸餾水20ml、5g/l抗壞血酸0.1g后振蕩后，將上層清液舍棄，得到含鉑鍍液。

制備工藝過程：將金剛石和鐵絲采用丙酮除油后，放入盛有蒸餾水的稱量瓶中，在室溫條件下以100w功率震蕩1分鐘超聲清洗后烘干，將金剛石上插入已對折好的鐵絲縫隙中，保證金剛石和鐵絲有效地接觸。將已夾好鐵絲的金剛石用夾具固定，緩慢放入制備好的含鉑鍍液中，將含鉑鍍液轉(zhuǎn)移到放有冰塊的玻璃器皿中。將玻璃器皿放入磁場中，保證基片與磁場方向平行。強度分別為1t(特斯拉)。沉積30分鐘后，將樣品取出，取下鐵絲，用蒸餾水沖洗掉表面殘余溶液，并冷風吹干金剛石和鐵絲。