[发明专利]一种贵金属/竖直生长水滑石纳米片甲醇燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合催化剂制备领域，特别涉及一种贵金属/竖直生长水滑石纳米片甲醇燃料电池催化剂的制备方法。

背景技术

在生产力和人类生活水平日益进步的今天，对能源的需求和依赖急剧增长，使得传统化石燃料的消耗与日俱增，随之而来的是对生存环境的破坏。因此，急需寻找一种可再生的替代能源，减少化石燃料的燃烧，缓解环境的压力。甲醇燃料电池作为一种便携式新型能源，由于其可以将化学能直接转化为电能，因此不受卡诺循环的限制，能量转化率可达到80％以上，具有能量密度高的优点，同时不需要传统繁琐的充放电过程，操作简单、使用方便，近年来已引起了广泛关注。但甲醇燃料电池用于催化阳极氧化反应的贵金属催化剂，在催化过程中中间产物CO极容易吸附于贵金属表面，占据了甲醇催化氧化的活性位点，从而极大降低了贵金属催化活性。同时在催化过程中随着反应的不断进行，贵金属催化剂会随着反应的进行发生聚集，进一步降低了贵金属的催化活性。

水滑石又称为层状双金属氢氧化物，是一种典型的阴离子型插层材料，其化学结构式可以表示为[M²⁺_1-x M³⁺_x(OH)2](A^n-)_x/n﹒mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别代表二价和三价的金属阳离子，A^n-为层间阴离子。水滑石作为一种超分子复合材料，由于其具有特殊的拓扑结构，较大的比表面积，和优良的电化学性质，近年来在超级电容器、电催化等领域已引起了广泛关注。

关于现有技术中利用水滑石作为前体制备甲醇燃料电池催化剂中，李峰、张春芳等人研究了一种燃料电池用电催化剂，利用水滑石作为前体，一步法合成金属单质/多壁碳纳米管型复合材料；然后将该复合材料与石墨、聚四氟乙烯混合成膏状，均匀的涂负在碳纸的表面，使涂覆的面积为0.5～1.0cm²；再利用电化学沉积法，在其表面负载上贵金属Pt粒子，制成燃料电池用电催化剂。其中，前体水滑石的作用是形成碳纳米管，而且该催化剂的制备方法相对复杂，制备温度高，需要精确控制的工艺条件较多，不适合大规模生产，同时利用电沉积负载的贵金属Pt粒子尺寸较大，分布不均匀。随着甲醇氧化反应的进行，贵金属表面易被CO等中间产物占据活性位点，稳定性能较差。

综上所述，现有技术中对于甲醇燃料电池催化剂存在中间产物CO容易吸附贵金属表面、贵金属催化剂容易发生聚集、以及催化剂制备方法复杂等问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中甲醇燃料电池催化剂的制备方法的缺点，本发明的第一个目的是提供了一种贵金属/竖直生长水滑石纳米片的制备方法，该制备方法简单容易操作，优于现有技术中甲醇燃料电池催化剂的操作步骤，同时贵金属盐溶液可以重复使用极大降低了使用成本。

为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种贵金属/竖直生长水滑石纳米片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水滑石(LDH)生长所需模板清洗后进行刻蚀，刻蚀后清洗干净；

(2)以甲醇和水的混合溶液作为溶剂，溶解水滑石生长所需要的两种或三种前驱体金属盐和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，形成均一溶液；

(3)将步骤(1)中清洗干净后的模板放入步骤(2)中的均一溶液中，进行水热反应；反应完毕，清洗模板表面并干燥，即得到在模板表面上竖直生长的水滑石纳米片；

(4)将步骤(3)中的在模板表面上竖直生长的水滑石纳米片放置在贵金属盐溶液中，进行氧化还原反应，反应完毕后清洗、干燥即得到贵金属/竖直生长水滑石纳米片。

步骤(1)和(2)的顺序可互调。

步骤(1)中，水滑石(LDH)生长所需模板为导电基底，例如：泡沫镍、碳纤维布、碳纸等。

采用此生长模板的作用是：为水滑石的生长提供附着基质，使水滑石能够竖直生长。

本发明采用盐酸溶液对模板进行刻蚀，刻蚀所产生的效果是：导电基底表面产生缺陷，利于随后水滑石纳米片的附着，以及竖直形貌的形成。

步骤(1)的具体方法，包括：将水滑石生长所需模板用丙酮彻底清洗，并用盐酸溶液进行刻蚀，刻蚀后用无水乙醇以及二次水清洗，至彻底清洗干净。

优选的，第一次清洗处理时，丙酮的使用量为200～500mL，分多次清洗，针对模板大小的是(0.4～1)cm×(2～4)cm。