[发明专利]石墨烯负载钯铱纳米颗粒催化剂制备方法及其甲酸氧化电催化应用

说明书

本发明属于负载型催化剂制备技术领域，具体涉及一种石墨烯负载钯铱纳米颗粒催化剂制备方法及其甲酸氧化电催化应用。所述方法包括以下步骤：1)将石墨烯添加到甲酸溶液中超声混合均匀；2)氯铱酸和氯钯酸钠配制的混合溶液超声条件下分散均匀；3)将步骤2)所得混合溶液加热；4)将步骤3)所得混合溶液快速注入到步骤1)石墨烯和甲酸的混合溶液中，在密封条件下进行超声处理；5)所得产物经清洗后干燥，即可。所述催化剂具有很高的电化学活性比表面积和甲酸氧化催化活性，并且该方法不涉及高毒性材料的使用，操作简便，重复性高，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于负载型催化剂制备技术领域，具体涉及一种石墨烯负载钯铱纳米颗粒催化剂制备方法及其甲酸氧化电催化应用。

背景技术

以液体甲酸为燃料的直接甲酸燃料电池能量转化效率高、环境友好，在作为汽车动力以及便携式电源等方面显示出巨大的应用潜力。甲酸氧化是作为直接甲酸燃料电池必不可少的阳极催化反应。就目前来讲，其常用的钯/碳催化剂对甲酸氧化催化活性不够优良难以满足当前商业化的需要。为加快直接甲酸燃料电池的商业化进程，研究和制备高性能甲酸氧化催化剂显得尤为重要。和钯相比，铱金属价格相对便宜，而且铱对酸的化学稳定性极高也是最耐腐蚀的金属。向钯中添加适量的铱不仅可以改变钯原有的电子结构和表面结构，在降低甲酸氧化反应活化能的同时降低对毒化物种的吸附，从而展现出更高的催化性能。

催化反应涉及催化剂颗粒表界面电荷转移过程。小粒径表面洁净的纳米颗粒不仅具有超高的比表面积和利用率，同时可以展现出更多的活性位点促进催化反应的有效进行和电极过程动力学的提高。当前小粒径均匀钯铱合金粒子的制备，往往需要借助于表面活性剂(例如聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵)以及高毒性的还原剂(例如硼氢化钠、油胺、水合肼)等。由于表面活性剂容易包覆在制备的金属纳米颗粒表面难以清除，从而覆盖部分活性位点导致催化性能无法充分发挥；而高毒性还原剂的使用，容易造成环境污染并存在安全隐患。此外，石墨烯具有优良的导电和机械性能以及超高的比表面积，从而有助于降低电荷转移电阻以及传质过程的有效进行，在作为燃料电池催化剂载体方面得到了广泛的应用。

因此，研究一种操作简便、适合规模化生产的绿色方法在石墨烯表面负载表面洁净、超小且均匀分散钯铱纳米颗粒作为甲酸氧化催化剂，对于加快直接甲酸燃料电池的商业化发展具有重要意义。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供超声协助法制备石墨烯负载表面洁净超小且均匀分散钯铱纳米颗粒催化剂的方法，制备的催化剂具有很高的电化学活性比表面积和甲酸氧化催化活性，并且该方法不涉及高毒性材料的使用，操作简便，重复性高，适合大规模生产。

本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯负载钯铱纳米颗粒催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将石墨烯添加到甲酸溶液中超声混合均匀；

2)氯铱酸和氯钯酸钠配制的混合溶液超声条件下分散均匀；

3)将步骤2)所得混合溶液加热；

4)将步骤3)所得混合溶液快速注入到步骤1)石墨烯和甲酸的混合溶液中，在密封条件下进行超声处理；

5)所得产物经清洗后干燥，即可。

所述步骤1)中，石墨烯在甲酸溶液中的浓度为1～5mg/mL，于75-95℃下进行超声处理。

所述步骤2)中，钯与铱的摩尔比为1:1～4:1。

所述步骤2)中，超声时间为0.5h～5h，功率为100～600W。

所述步骤3)中，将溶液加热到60℃～95℃。

所述步骤4)中，钯铱合金与石墨烯的质量比为1:5～1:1。