[发明专利]一种燃料电池用金团簇/碳纳米管复合催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，具体涉及一种燃料电池用阴极复合催化剂的制备方法，属于新能源材料技术领域。

背景技术

燃料电池具有转换效率高、清洁无污染、噪音低等优点，可以应用于大型发电厂，小型功能设备，交通工具等，因此其成为21世纪的主要能源已是大势所趋。氧还原反应总是伴随着很高的过电位，高达几百毫伏，如此高的过电位对电池带来的不良影响是多方面的。尤其是在酸性电解质中，氧还原反应的标准电极电位为1.23V（相对氢标），在如此高的过电位下，大多数金属在水溶液中不稳定，在电极表面易出现氧和多种含氧离子的吸附，或生成氧化膜，使电极表面状态改变，导致反应历程更为复杂，而且还导致电池电势下降，降低了电池的工作性能。

现在广泛使用的燃料电池阴极催化剂应用最多的是碳载铂催化剂，但由于金属铂本身价格昂贵，加上铂元素在地球的整体含量极少，极大地推高了燃料电池的制造成本；同时该类催化剂亦存在稳定性差、所负载金属易脱落和团聚等问题，从而限制了铂基材料的商业化应用；前几年，有研究者将合金材料应用在燃料电池阴极催化剂上，即使其具有比铂基材料高的催化活性，但复杂的制作方法仍限制其在燃料电池上的应用。因此人们仍在致力于寻找一种廉价易得，又能提高催化剂的分散性和稳定性及抗团聚能力,同时满足氧还原反应需要的催化剂。催化剂载体恰能影响负载金属的分散性和稳定性甚至抗中毒能力而成为提高电池性能的关键所在。

根据最近的文献报到，纳米级的金颗粒其在有机小分子的选择性催化，CO的氧化以及氧还原等方面都显示了其优异的催化性能。但是其稳定性较差，因此需要适合的催化剂载体提高其稳定性，同时亦发挥其与金颗粒的协同作用，从而增强其催化活性。在碳纳米管中，其碳原子所采取的杂化是SP²杂化,相比于采取SP³的碳,其强度更高,刚性更强。同时碳纳米管表面存在离域π键,故碳纳米管的导电性能也更加优异,因此碳纳米管能够成为理想的催化剂载体；将金颗粒和多壁碳纳米管结合在一起，可以解决金颗粒的团聚和脱落问题，同时亦发挥二者的协同作用增强其氧还原催化活性。

本发明采用多壁碳纳米管与金氯酸直接合成单分散性复合材料，尚未见公开的文献或专利报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种工艺简单、稳定性好、反应条件温和的燃料电池阴极催化剂的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下几个步骤：

（1）按照金元素与碳元素的质量比为（1~2）:（1~4），将氯金酸溶液与多壁碳纳米管水分散液混合；并将此混合液超声，以使其均匀混合。

（2）在室温下，进行第一阶段磁力搅拌后，迅速进行第二阶段磁力搅拌，并将4~8mg硼氢化钠(NaBH₄)迅速加入混合液中，并继续第二阶段磁力搅拌后，即可得Au/CNT复合材料催化剂。

（3）将步骤（2）中得到的复合材料催化剂在低温真空干燥箱中进行冷冻干燥，后移至真空干燥箱中充分干燥得到Au/CNT复合材料催化剂。

步骤（1）所述氯金酸溶液浓度为1~4mg/mL，优选为2mg/mL；所述多壁碳纳米管水分散液浓度为0.5~3mg/mL，优选为1mg/mL；所述超声时间为1~4h，优选为2h。

步骤（2）所述第一阶段磁力搅拌转速为500~800r/min，搅拌0.2~1.5h，优选为转速500r/min搅拌0.5h；所述第二阶段磁力搅拌转速为800~1500r/min，搅拌0.2~1.5h，优选为转速1000r/min搅拌0.5h。

步骤（3）所述冷冻干燥时间为20~30h，优选为24h；所述真空干燥箱内温度控制在25~40^oC，优选为35^oC。

综上所述，与现有的技术相比，本发明的有益之处在于:

（1）本发明的制备方法中采用多壁碳纳米管和四氯金酸进行原位还原，直接合成单分散性复合材料催化剂，制备方法简单直接，未使用高温高压反应，反应条件温和，极大简化合成工艺，降低制备成本。

（2）多壁碳纳米管和四氯金酸试剂采用水作为溶剂，成本较低，而且避免使用有毒有害的有机溶剂如甲苯、苯等，节能环保，符合当今社会绿色发展的理念与新能源的发展需求。

（3）制备出的Au/CNT复合材料催化剂的起始电位高、循环稳定性好，耐久性强，催化活性好，同时极大地延长了催化剂的使用寿命。

附图说明