[发明专利]一种载Pt石墨烯中空微球催化剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池的技术领域，涉及一种电催化剂，特别涉及一种载Pt石墨烯中空微球催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

近几十年来，对能源的需求越来越高，加之化石燃料的枯竭，以及世界各地环境的日益污染，燃料电池已经吸引了越来越多的关注。它具有能量转换效率高，低排放甚至是零排放的特点。目前，氢气的生产，储存与输送，是除成本，可靠性和耐用性等问题之外的重大挑战。直接甲醇燃料电池(DMFC)，原料是利用可再生的甲醇液体，将其作为燃料，这已经被认为无论是在燃料使用量或者进料方法上都是不错的选择^[1,2]。因此相比于氢供给燃料电池，由于氢燃料电池有一个重整装置或容量低的氢存储罐，直接甲醇燃料电池用的液体燃料甲醇是很容易储存和运输的，这大大简化了燃料电池系统。科学家已经认识到，燃料电池技术的成功在很大程度上取决于两个关键：隔膜和电催化剂。这两个关键材料也直接关系到直接甲醇燃料电池，包括：(1)甲醇渗透这个问题只能通过开发新的隔膜来克服；(2)缓慢的阳极催化反应这只能通过开发新的阳极催化剂来克服。而对于新的DMFC的阳极催化剂，有两个主要的挑战，即其性能的提高，包括活性，可靠性和耐用性；还有就是成本的降低。基于以上考虑，我们选择从催化剂载体入手，以期制备出一种对甲醇氧化具有优良催化活性和稳定性的低Pt催化剂。

参考文献为：

[1]PanwarN.,KaushikS.,KothariS.Roleofrenewableenergysourcesinenvironmentalprotection:areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2011,15(3):1513-1524.

[2]DincerI.Renewableenergyandsustainabledevelopment:acrucialreview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2000,4(2):157-175.

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种载Pt石墨烯中空微球催化剂的制备方法。通过本发明的方法所制备的催化剂对甲醇氧化具有非常好的催化活性和稳定性。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法制备得到的载Pt石墨烯中空微球催化剂。

本发明的再一目的在于提供上述载Pt石墨烯中空微球催化剂的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种载Pt石墨烯中空微球催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散于水中，得到氧化石墨烯水分散液；将二氧化硅球分散水中，得到二氧化硅球分散液；再将氧化石墨烯水分散溶液与二氧化硅球分散液混合，超声分散，冷冻干燥，得到氧化石墨烯/二氧化硅球复合物；

(2)将氧化石墨烯/二氧化硅复合物放入管式炉中，于700～900℃热处理3～5h，得到黑色粉末；再将黑色粉末加入到强碱溶液或强酸溶液中进行搅拌反应，过滤，洗涤，干燥，得到石墨烯中空球粉末；

(3)将石墨烯中空球粉末浸泡于氯铂酸溶液或硝酸铂溶液中，超声混合，冷冻干燥，得到粉体；将粉体放入管式炉中，在氩氢混合气气氛下，升温至350～450℃保温处理1～2h，自然降温，得到载Pt石墨烯中空微球催化剂。

步骤(1)中所述氧化石墨烯的制备方法，具体步骤为：冰浴条件下，向装有石墨粉和硝酸钠混合物的容器中加入质量百分数为98％的浓硫酸，搅拌反应10～20min，随后逐步加入高锰酸钾，加完后反应20～40min，随后撤掉冰浴，室温反应40～50h，加入蒸馏水，继续反应10～20min，再加入温水和质量百分数为30～35％的双氧水反应0.5～1h；静置溶液，洗涤，透析，最后配置成不同浓度的氧化石墨烯溶液备用或者通过喷雾干燥的方式干燥成粉末收集备用。

所述的石墨粉、所述的硝酸钠、所述浓硫酸、所述高锰酸钾、所述蒸馏水、所述温水及所述双氧水的质量体积比为(2～5)g：(2～5)g：110mL：(12～30)g：(180～190)mL：560mL：40mL。