[发明专利]一种介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂及其制备方法

说明书

本发明为一种介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂及其制备方法。该催化剂的组成包括聚吡咯材料和负载的Pt纳米颗粒，Pt的负载质量百分比为20％‑50％；其中，所述的载体聚吡咯材料具有多级孔结构，即含有内径为200～500nm，壁厚为30‑60nm的纳米环状结构和孔壁上孔径为2‑10nm的介孔结构。本发明工艺简单，所制备聚吡咯材料相较与电聚合方法制备的聚吡咯具有较高的比表面积，可应用于如气体传感、催化、分离等领域。

技术领域

本发明涉及一种介孔聚吡咯纳米环负载Pt纳米颗粒催化剂的制备方法，属于Pt催化剂技术领域。

背景技术

随着人类对能源的需求日益增加，世界能源危机也日趋严重，如何充分开发和利用清洁新能源，减轻和防止环境污染及对生态的破坏，已成为人类重点关注的话题。直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)，因其燃料易运输与存储、重量轻、体积小、能量密度大、转化效率高以及无污染等优势，近年来成为国际上新能源领域的研究热点。虽然近几十年DMFC的研究取得了显著的进步，但真正的大规模商业应用还未实现。DMFC实现商业化的关键技术之一是开发高性能的，长寿命的催化剂。目前，铂碳催化剂仍然是使用最广泛的催化剂。然而，在燃料电池的长时间反应过程中，碳载体容易被腐蚀而造成结构坍塌，从而导致Pt纳米粒子的迁移、团聚，甚至从催化剂体系中分离，影响催化剂的活性和寿命。为解决碳腐蚀问题，人们开始把目光转向更耐电化学腐蚀的材料，以此作为催化剂载体，如导电金属氧化物和导电聚合物。其中，聚吡咯具有高导电性、合成简单等优点，被认为是最有希望的催化剂载体的替代品之一。

为提高Pt利用率，研究人员致力于开发新型的，纳米结构的聚吡咯材料做为Pt催化剂的支撑材料。纳米环状聚吡咯材料因其具有高的表面积-体积系数，可以提供更好的传质通道，从而提高负载其上的Pt催化剂的催化效率。然而，聚吡咯较低的比表面积影响了Pt纳米颗粒的分散，降低了电催化效果。在聚吡咯纳米环的孔壁上加入介孔结构形成多级结构聚吡咯材料，从某种程度上能更好地应用于甲醇燃料电池。这种聚吡咯材料的环状结构可以有效地降低传质阻力，有助于反应物和产物的扩散，可以使分子容易到达活性位，而介孔结构能提供较高的比表面积和较大的孔容，所以这种多级结构的聚吡咯材料作为载体可以使催化剂具有更高的催化效率。

鉴于介孔聚吡咯纳米环在催化方面拥有巨大的前景，本发明提供一种新的合成方法，利用二氧化硅微球为硬模板，一步合成出具有高比表面积的介孔聚吡咯纳米环材料，负载Pt纳米颗粒后制备出了具有良好的稳定性、催化活性和抗毒性的介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂。

发明内容

本发明的目的在于针对商用甲醇燃料电池的铂碳催化剂存在活性低、易中毒等缺点，提供一种活性高、抗毒性能好的介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂材料及其制备方法。该材料拥有环状结构以及孔壁上的介孔结构。介孔结构可以提高比表面积，增强Pt纳米颗粒的分散性，限制Pt纳米颗粒的生长以及催化过程中的团聚，环状结构可以增强传质。二氧化硅微球既可作为环状结构的引导剂，又可在吡咯的聚合反应过程中，与吡咯相互作用使聚吡咯在二氧化硅亚微米球表面形成介孔结构。制备方法上，采用化学法聚合法制备高比表面积(>100m²g^-1)的聚吡咯材料，利用二氧化硅微球(200-500nm)为模板形成介孔环状形貌，通过控制二氧化硅量的使用，来得到纳米环状材料。

本发明采用的技术方案是：

一种介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂，其特征在于该催化剂的组成包括聚吡咯材料和负载的Pt纳米颗粒，Pt的负载质量百分比为20％-50％；其中，所述的载体聚吡咯材料具有多级孔结构，即含有内径为200～500nm，壁厚为30-60nm的纳米环状结构和孔壁上孔径为2-10nm的介孔结构。

所述的Pt纳米颗粒的粒径为小于3.0nm；优选为1.5～2.5nm。

所述的介孔聚吡咯纳米环负载Pt催化剂的制备方法，包括以下步骤：