[发明专利]由有机偶氮染料功能化碳纳米材料制备的贵金属纳米催化剂及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于燃料电池领域的电催化剂的制备方法，特别是适用于质子交换膜燃料电池用电催化剂，具体是一种由有机偶氮染料功能化碳纳米材料制备的贵金属纳米催化剂及其方法，属于催化剂技术领域。

背景技术

低温燃料电池作为一种新型的能源装置，具有燃料利用效率高、无污染等多种优点，受到人们极大的关注，已成世界各国竞相研究的热点。在燃料电池中，通常使用的催化剂活性组分主要为贵金属单质或贵金属合金。但是，贵金属资源稀缺，价格昂贵，为了提高贵金属的利用率，降低贵金属用量，以达到降低燃料电池成本，因此人们通常将贵金属纳米粒子沉积在载体上，制备负载型催化剂。目前普遍采用碳纳米材料作为催化剂载体，这是因为碳纳米材料在酸性和碱性介质中具有较好的稳定性、良好的导电性以及较大的比表面积等。碳纳米材料的一些性质，如比表面积、孔径分布、形貌、表面官能团等，会影响负载型贵金属催化剂的性能。为了提高催化剂的催化性能，需要对碳纳米材料进行功能化处理。Wang等（Z Wang et al., Carbon,2006,133:44）采用臭氧氧化处理的碳黑作为载体，制得PtRu纳米粒子在碳黑表面均匀分布的PtRu/C催化剂，具有较高的催化活性。Huang等（J E Huang et al., J Electroanal. Chem., 2005, 93:557）把单壁碳纳米管置于温度130℃，浓度为2.6 mol/L的硝酸中回流30小时，得到功能化的单壁碳纳米管作为载体，制备出了Pt/SWCNTs催化剂，得到了较好的催化活性。Kim等(Y T Kim et al., J. Catal. 2006,394:238) 为增强Pt纳米粒子与碳黑的结合力，先将多壁碳纳米管氯化，再将氯化过的多壁碳纳米管用硫醇处理24小时，得到了表面功能化的多壁碳纳米管，再把Pt纳米粒子负载到多壁碳纳米管表面制备Pt/MWCNTs催化剂，这种方法得到的催化剂Pt纳米粒子分布均匀，几乎没有团聚现象，其催化活性明显的提高。Liu等（Z L Liu et al., J. Colloid Interface Sci.,2010 233:351）用聚二烯丙基二甲基氯化铵功能化处理碳纳米管，使其表面带正电，再将带负电的草莓状的中空Pd纳米粒子沉积到带表面带正电的碳纳米管表面，得到高活性的Pd/CNTs催化剂。以上这些制备催化剂的方法存在工艺复杂，而且操作不易控制以及环境污染等问题。

偶氮染料具有很好的光学性能、热稳定性能和溶解性能，且对环境无污染。作为一种有机染料，偶氮染料是一种广泛应用于纺织、印刷、涂料等领域的染料。由于发现偶氮染料具有良好的光电性能，如光致变色、光存储以及染料敏化等，偶氮染料作为一种功能性染料在光电子技术领域也开始有较多的应用。偶氮染料可以分为：偶氮苯类染料、推-拉型偶氮染料、含杂环的偶氮染料等。在偶氮化合物中，由于存在推电子基团和拉电子基团的双重作用，使偶氮键成为一种有效的电子通道。

碳载催化剂的催化活性与载体的表面性质有很大的关系，通过对碳载体表面改性，增强催化剂活性组分与载体的相互作用，可大幅提高碳载催化剂的催化活性。为此，偶氮染料分子通过静电引力、氢键以及化学键与碳载体相互作用，可将偶氮染料分子引入到碳载体中，得到偶氮染料功能化的碳载体，偶氮染料分子可作为电子给体。将金属纳米粒子沉积在偶氮染料功能化的碳载体表面时，含有未满d轨道电子的金属可作为电子受体，这可使氮染料分子与金属之间产生电子转移，导致金属纳米粒子与碳载体有较强的相互作用，形成无机/有机杂化的碳载金属催化剂。电化学测试表明，通过有机偶氮染料功能化碳纳米材料，制备出的碳载金属催化剂，其电催化活性明显增强。目前，尚未有使用有机偶氮染料功能化碳纳米材料作为燃料电池催化剂载体的报道。

发明内容

本发明目的是提供一种由有机偶氮染料功能化碳纳米材料制备的贵金属纳米催化剂及其方法，以获得活性高、稳定性好的贵金属纳米催化剂。

本发明通过下列技术方案实现：一种由有机偶氮染料功能化碳纳米材料制备的贵金属纳米催化剂，由金属纳米粒子与有机偶氮染料功能化碳载体按质量比为1～5︰10组成，通过金属纳米粒子沉积到有机偶氮染料功能化碳载体上。

本发明的催化剂制备方法是首先制备有机偶氮染料功能化碳载体，然后再将贵金属胶体中的金属纳米粒子沉积到有机偶氮染料功能化碳载体上，得到由有机偶氮染料功能化碳纳米材料制备的贵金属纳米催化剂，具体步骤如下：