[发明专利]一种钯铁双金属甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的生产技术领域，特别是用作燃料电池的催化剂的制备技术领域。

背景技术

甲醇是最简单的液态有机物，且来源丰富、价格低廉、方便储存和携带、无毒及能量转换效率高。目前甲醇有两种使用方式：:一是将甲醇重整改质成富氢气体进入氢氧燃料电池进行发电；二是直接将甲醇作为燃料在燃料电池内进行电催化发电，这就是直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）。与其他燃料电池相比，DMFC 价格便宜，结构简单，储存方便，启动时间短，运行安全可靠，能量密度高及方便补充燃料，适用于移动式或便携式电源；但是 DMFC 的商业化仍然受到一些技术问题的制约，如催化剂的活性偏低、甲醇易渗透问题等。目前对 DMFC 的研究主要集中在两方面：一是改善催化剂的电催化性能，二是研究防止渗透的质子交换膜。

考虑到铂的价格昂贵且易中毒，因此除了铂基阳极催化剂外还有其他非铂基材料被用作阳极催化剂。Wentao Wei 利用一种简单环保的方法在碳纳米点上成功合成出了分散性好的钯纳米粒子，这个方法无需额外的表面活性剂及还原剂，所合成的 Pd-C 混合纳米粒子具有高导电性，对有机分子燃料氧化物提供了连续的活性面。与商业用途的 Pd/C 相比，这种“裸”钯纳米粒子对甲醇氧化的起始电位更负，电流密度更高，在 DMFC 的阳极催化剂应用方面有很大的潜力。另外，在加入另一种非贵金属之后，可以大大提高甲醇氧化峰峰电流密度，且同时减小贵金属的负载量，降低产品的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的钯铁双金属甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，在低成本的基础上，进一步提高甲醇燃料电池阳极催化剂的稳定性和甲醇的催化活性。

本发明的技术方案是：以由8mmol/L的PdCl₂水溶液、8mmol/L的FeCl₃水溶液、1mol/L的KNO₃水溶液和H₂O形成的混合液为钯铁电沉积底液，以基体玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极作为辅助电极，铂片电极作为对电极，在沉积电位为-0.3V的条件下，采用直接电沉积法制备钯铁薄膜电极。

所述基体玻碳电极是经过前处理的基体玻碳电极，其处理方法是：将玻碳电极用0.05μm的氧化铝粉抛光，然后再去离子水冲洗掉污物，再放入质量百分比为50%的硝酸水溶液中超声清洗，最后依次用乙醇和二次水清洗玻碳电极表面。

本发明形成的钯铁薄膜电极沉积电量为1×10^-3C，可作为直接甲醇燃料电池生产中的一种非铂基阳极催化剂，在碱性环境下对甲醇的电催化效果颇佳，其氧化峰电流密度与Pd/GC电极相比，提高了3.37倍；与标准的钯电极相比提高了90.27倍，这说明了在利用该技术后，大大增大了电极的相对比表面积，提高了电催化活性位点数，并且在掺杂了Fe纳米粒子后，在双金属的协同作用下，也有效地提升了电催化氧化的效率和贵金属的利用率，一定程度上降低了生产所需的成本。

本发明具有工艺灵活、可人为控制电沉积过程，反应产物的尺寸形貌可控，生产周期较短，所制甲醇燃料电池氧化电极贵金属利用率高，大大减低所用成本等特点。

以上工艺中，通过对甲醇电催化氧化峰峰电流的比较，优选的技术方案是：当钯铁电沉积底液中PdCl₂水溶液与FeCl₃水溶液的混合体积比为9︰1（即钯铁比例为9︰1）时，或当直接电沉积法中的沉积电位为-0.3V时，最大氧化峰的电流密度分别是77.63 mA·cm^-2，对于对于甲醇的电催化效果理加显著。

附图说明

图1是电化学沉积底液中，钯/铁摩尔比为9:1时，所制得的Pd-Fe/GC电极的能谱图。

图2是在0.5 M NaOH和1 MCH₃OH溶液中不同钯铁比例的钯铁薄膜电极上的电催化氧化甲醇的循环伏安曲线图。

图3是沉积底液中钯/铁摩尔比为9:1时所制得的钯铁薄膜电极、钯薄膜电极和标准钯电极分别在0.5 M NaOH和1 MCH₃OH溶液中上的电催化氧化甲醇的循环伏安曲线图。

具体实施方式

一、制备阳极催化剂

1、基体玻碳电极的前处理：用0.05μm的氧化铝粉抛光玻碳电极，再将己抛光的玻碳电极先用去离子水冲洗掉污物，再放入质量百分比为50%的硝酸水溶液中超声清洗5分钟，最后依次用乙醇和二次水清洗电极表面。

2、配置钯铁电沉积底液：