[发明专利]钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于无机材料和纳米材料技术领域，具体涉及钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂材料及其制备方法。

背景技术

自上个世纪90年代开始纳米技术的蓬勃发展以来，纳米材料的制备一直是纳米科学与技术领域的重要的核心内容。目前，纳米材料的制备方法研究已成为新材料开发的一个十分活跃的课题。

钯具有极佳的物理与化学性能，耐高温、耐腐蚀、耐磨损和具有极强的伸展性。碳负载的钯金属纳米粒子的钯/碳材料以其优异的催化性能，作为化学化工中的催化剂，尤其是作为燃料电池中的催化剂得到了广泛的应用。

众所周知，催化剂载体对催化剂的性能有很大的影响。活性碳、XC-72纳米碳、碳纳米管等都是一些不同形式和形貌的碳材料，也是常用的催化剂载体。这些不同的碳材料作为载体负载贵金属钯纳米粒子对催化剂的电催化性能有很大的影响。碳纳米管因其具有良好的力学性能和良好的导电性能，在将其作为催化剂载体放面受到了广泛的研究。为了增强钯基催化剂的电催化性能和提高钯催化剂的利用率，业界正在都在对碳纳米管负载钯催化剂进行着深入的研究。

与此同时，二氧化钛作为一种半导体材料，被广泛研究应用于光催化领域，本发明尝试将其添加到钯/碳纳米管（Pd/MWNT）材料中，以期提高材料的催化活性，并作为催化剂材料应用乙醇燃料电池。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高电催化活性的钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂材料及相应的两种制备方法。

本发明所述的一种钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂，其以钯纳米颗粒（Pd）为催化活性组分，以二氧化钛（TiO₂）和碳纳米管（MWNT）为复合载体材料，其中金属钯纳米颗粒和二氧化钛均匀的分布在碳纳米管上；且钯（Pd）的质量为碳纳米管（MWNT）质量的10～20%，二氧化钛（TiO₂）的质量为碳纳米管（MWNT）质量的10-50%。

上述钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂的制备方法有两种。

第一种制备方法包括以下步骤：

1）碳纳米管置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸中，70～90 °C恒温超声6～8 h，去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，低温干燥，得到功能基团化的碳纳米管材料；超声分散于去离子水中，得到碳纳米管溶液；

2）将二氧化钛粉末置于马弗炉中，700～800 °C煅烧4～6 h，待冷却后，置于10 M NaOH中110～120 °C反应活化22～24小时，反应结束后去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，干燥，得到活化后的二氧化钛纳米颗粒；

3）将氯化钯分散于去离子水中，超声20～30 min，制得均匀的氯化钯溶液；

4）将氯化钯水溶液与碳纳米管溶液共混，其中钯的质量为碳纳米管质量的10～20%，持续搅拌1～2 h后，逐滴加入过量还原剂，并继续搅拌3～4 h，反应完全后过滤，用去离子水洗涤至滤液呈中性；

5）将步骤4）制得的钯/碳纳米管超声分散于去离子水中，加入步骤2）活化后的纳米二氧化钛粉末，其中二氧化钛的质量为碳纳米管质量的10～50%，持续搅拌4～6 h；将溶液过滤洗涤3～4次，烘干后得到二氧化钛/钯/碳纳米管复合催化剂材料。

第二种制备方法包括以下步骤：

1）碳纳米管置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸中，70～90 °C恒温超声6～8 h，去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，低温干燥，得到功能基团化的碳纳米管材料；超声分散于去离子水中，得到碳纳米管溶液；

2）将二氧化钛粉末置于马弗炉中，700～800 °C煅烧4～6 h，待冷却后，置于10 M NaOH中110～120 °C反应活化22～24小时，反应结束后去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，干燥，得到活化后的二氧化钛纳米颗粒；

3）将氯化钯分散于去离子水中，超声20～30 min，制得均匀的氯化钯水溶液；

4）将碳纳米管溶液与步骤2）活化后的二氧化钛共混，超声分散，其中二氧化钛的质量为碳纳米管质量的10～50%，并持续搅拌；向该溶液中加入氯化钯水溶液，其中钯的质量为碳纳米管质量的10～20%，持续搅拌1～2 h后，逐滴加入过量还原剂，并继续搅拌3～4 h，反应完全后过滤，用去离子水洗涤至滤液呈中性，烘干后得到钯/二氧化钛/碳纳米管复合催化剂材料。