[发明专利]一种聚合物修饰的纳米贵金属催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低温燃料电池纳米贵金属催化剂及其制备方法。适用于低温燃料电池纳米贵金属催化剂的制备，特别适用于负载型纳米贵金属催化剂的制备。

背景技术

低温燃料电池包括以氢为燃料的聚合物电解质燃料电池和以有机小分子为燃料的直接醇类燃料电池等。电催化剂的性能是影响低温燃料电池性能的关键因素之一。由于低温燃料电池的运行温度较低（一般不超过100 ^oC），电化学反应具有较高的过电位，因此工作效率较低。另一方面，有机小分子电氧化反应的中间产物如CO_ads等会积累在催化剂的活性位上，导致催化剂中毒。电催化剂的作用机理要求其不但要具备良好的催化活性及抗中毒能力，同时还要具有良好的导电性和传质性能，这样才能在保证电化学反应的顺利进行的同时，将电子及时传递到外电路，并使反应物和产物分子能够及时地转移。对于普遍采用的负载型纳米贵金属催化剂，纳米粒子的烧结和流失也会造成催化活性的衰减。为抑制中间产物的积累，防止催化剂中毒，同时减少催化剂活性组分的烧结和流失，有必要对纳米贵金属催化剂的表面进行修饰，提高其抗中毒能力和使用寿命。导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯等具有良好的电子导电性，已被用来修饰纳米电催化剂或直接用作催化剂载体。其存在的问题是在提高导电性的同时，有可能影响催化剂的传质性能。离子导电聚合物如全氟磺酸树脂、磺化聚砜类树脂、磺化聚苯硫醚树脂等也已被用来提高纳米电催化剂表面的离子导电性和传质性能，但其电化学稳定性仍有待提高。为全面提高电催化剂的催化活性和电化学稳定性，需要研制一种具有优良传质性能和离子/电子导电性，同时又能在一定程度上抑制纳米金属离子迁移和流失的具有空间保护结构的纳米贵金属催化剂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有良好导电性和优良传质性能的聚合物修饰的纳米贵金属催化剂及其制备方法。

本发明所述的一种聚合物修饰的纳米贵金属催化剂，包括碳载体、导电聚合物和阳离子聚合物；通过导电聚合物单体与阳离子型聚合物单体之间的聚合及导电聚合物单体之间的聚合，在碳载体表面形成交叉网状结构。

本发明所述的聚合物修饰的纳米贵金属催化剂，采用的导电聚合物是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯、聚苯乙炔聚对苯撑乙炔、聚环氧乙烷和聚环氧丙烷中的任一种。采用的阳离子型聚合物是聚甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、聚甲基丙烯酰氧乙基二乙基甲基氯化铵、聚丙烯酰胺基（2-甲基丁基）三甲基氯化铵、聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚丙烯酰氨基丙基三甲基氯化铵、聚二甲基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵/丙烯酰胺共聚物、甲壳质及其衍生物中的任一种。

本发明的聚合物修饰的纳米贵金属催化剂的制备方法为：

1. 将碳载体悬浮于溶液中，加入阳离子型聚合物，在超声震荡下使其附着于碳载体表面，阳离子型聚合物与碳载体的质量比为1:（20~20000）；

2. 加入贵金属前驱体盐溶液，在微波照射下使其还原为纳米粒子并沉积于碳载体的表面；

3. 加入导电聚合物单体和氧化剂，在搅拌条件下使其聚合，并与附着在碳载体表面的阳离子型聚合物形成交叉网状结构，导电聚合物单体与碳载体的质量比为1:（10~50000）；

4. 经过过滤和洗涤，得到聚合物修饰的贵金属纳米电催化剂；

5. 将得到的催化剂放入真空干燥箱中，于70 ^oC干燥24小时。

与现有技术相比，本发明的催化剂及其制备方法具有以下优点：

催化剂在制备过程中，附着于碳载体表面的阳离子型聚合物通过静电效应和螯合效应，与溶液中的贵金属前驱体盐阴离子发生作用，使其在碳载体表面形成均匀分布的胶体粒子并被进一步还原为纳米贵金属粒子。导电聚合物单体分散于阳离子型聚合物和纳米贵金属粒子之间，在氧化剂的作用下发生聚合，形成交叉分布的聚合物网络这种聚合物网络的纳米贵金属催化剂具有良好的传质性能和离子/电子导电性；同时，这种交叉分布的聚合物网络抑制纳米贵金属粒子的烧结和流失，从而提高催化剂的电化学稳定性和使用寿命。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，列举以下实施例，并不限制发明的范围。

实施例1