[发明专利]一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于燃料电池催化剂领域，具体涉及一种制备直接醇

类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法。

背景技术

目前环境污染问题日益突出，开发清洁、高效和可循环的新能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池因为其无污染，并且具有高效的发电性能引起了人们的研究兴趣。而直接醇类燃料电池作为质子交换膜燃料电池的其中一种，同样在发电方面具有无污染、无噪音和能量转化效率高等优点。但是目前催化剂的主要成分为贵金属铂，其高成本和低寿命两大问题在一定程度上限制了燃料电池的大范围推广，而载体的选择在很大程度上影响催化性能。目前广泛应用的催化剂载体主要为Vulcan XC-72、碳纳米纤维和碳纳米管等，在一定程度上解决了阳极催化剂成本高和易中毒的问题，但仍然不能满足理想电催化剂载体的要求。石墨烯作为新型材料引发了燃料电池催化剂载体的研究热潮，因其独特的二维平面结构、巨大的比表面积和高导电性；由于电化学活性位分布均一，将催化剂粒子担载在石墨烯的表面上时可明显降低催化反应的过电势，从而有利于催化反应的进行。

目前常用的催化剂制备方法有化学还原法，电化学沉积法和溶胶-凝胶法等。化学还原法操作简单可大规模生产，但是由于金属的形成是在液相中和载体表面进行，金属晶核在载体表面上随机形成催化剂颗粒，因此在制备过程中容易出现分布不均匀现象；并且还原剂和有机溶剂会降低石墨烯与纳米粒子结合界面的活性，因此制备出的复合材料性能不高。电化学沉积法制备催化剂纳米颗粒具有可控、易操作和绿色环保等优点，在催化剂制备方面应用越来越广泛，但所制得的复合材料金属纳米粒子没有渗入石墨烯片层中，主要沉积在石墨烯涂层表面导致性能不可靠。溶胶-凝胶法是制备薄膜涂层材料非常有效的一种方法，反应温度较低，容易进行，但是溶胶成形的过程中干扰因素较多，易发生胶粒团聚等现象。

通过静电纺丝技术制备纳米纤维，有利于增大催化剂的比表面积和催化效率。目前的研究向着制备具有排列规整纤维，取向纤维、纳米线以及纤维成网和成纤结构的可控制等方面发展。这种特殊结构的纳米纤维在生物医学工程、特殊定向超疏水表面结构设计以及特殊光、电性能方面均表现出独特的优势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种操作简单、工作效果佳的制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种制备直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，其创新点在于：将含有催化剂的电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板，施加0-50kV电压，注射器推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收集板上，形成阳极电催化剂膜，所述静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h；

所述电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分子材料、催化剂载体的溶液，所述电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，所述催化剂载体为石墨烯，所述石墨烯加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%-18wt%，所述高分子材料的加入量为5wt%-8wt%，所述石墨烯和金属化合物按质量比为1:9-100。

进一步的，所述电纺液中添加Pt、Sn、Ru所属金属化合物中两种或三种金属组合物。

进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn=1-4:1。

进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Ru=1-4:1。

进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn：Ru=1-3:1-3:1。

进一步的，所述旋转型收集板选用不锈钢管状、铜管状、铝管状结构中的一种，所述旋转型收集板的直径范围为40-60mm，所述旋转型收集板的长度范围为1000-1600mm，所述旋转型收集板的转速为100-2000r/min。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明的直接醇类燃料电池石墨烯基阳极电催化剂的方法，制备出来的阳极催化剂是膜状结构并且均匀分布，简化了传统的粉末状结构，简化了传统工艺中复杂的涂覆制备催化层的步骤，与以往的燃料电池阳极催化剂具有明显的优点，简便了电池组装。