[发明专利]一种嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备方法及其所得材料和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高电化学活性和稳定性的嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备方法，该催化剂适用于作为阳极甲酸氧化和阴极氧还原电催化。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)是21世纪极具应用前景的新能源装置，其除了具备燃料电池的一般优点，如发电效率高、环境污染少外，PEMFC还具有可在室温下快速启动、无电解液流失、比功率高和寿命长等优点。然而，由于PEMFC的关键材料和关键技术等方面仍然有待进一步突破，同时成本有待大幅降低，导致其无法进一步商业化。催化剂是造成燃料电池成本高昂的关键原因，在电池工作过程中，高效的催化剂可以有效减少电极极化，从而提升电池的电压和性能。理想的PEMFC催化剂通常具备以下特点：①高催化活性，具备较高的催化选择性、较多的催化活性位点和较好的抗毒化能力；②高稳定性，具有较好的抗腐蚀性和抗氧化能力；③合适的载体，具有较好的导电性、传质性和抗腐蚀性，以及能与金属之间产生有益的相互作用；④低成本，目前，贵金属Pt是最常用的燃料电池催化剂，与其他金属相比，Pt具备高活性和高稳定性等优点，但是Pt储量稀少、价格昂贵，从长远来看，降低Pt的用量以及开发其他更为低廉的催化剂对降低PEMFC成本来说十分重要。

Pd与Pt的电子结构十分相似，但价格比Pt便宜，是一种极有潜力的替换催化剂。近年来，研究者一直致力于经济且快速、大批量地制备高分散的炭载Pd纳米催化剂以提高Pd的利用率和降低催化剂的成本。常规商业化Pd/C所使用的载体多为活性炭，催化过程中，极易发生载体腐蚀而性能降低。此外，由于常规Pd/C催化剂中，Pd与极易在催化过程中发生溶解和团聚，最终导致电催化性能和稳定性的快速衰减。

发明内容

发明目的：针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备方法，以及该方法制得的催化剂在阳极甲酸氧化和阴极氧还原电催化方面的应用。本发明通过高温炭化自还原预先生成的片状Pd(II)-萘胺络合物，制备得到超细且Pd纳米粒子分散均匀的嵌入式多孔Pd/C框架结构，既提高催化剂中Pd的催化活性也有效地提升了催化剂的稳定性。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备方法，过程如下：以水与乙醇混合溶液作为溶剂，加入PdCl₂和萘胺(C₁₀H₉N)两种反应物，混合均匀后静置一段时间，生成片状Pd(II)-萘胺络合物，离心干燥后，将固体粉末置于氮气气氛中高温煅烧处理，冷却后即可得到所述的嵌入式多孔Pd/C纳米框架。

更具体地说，本发明的一种嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备方法，具体包括以下步骤：

1)金属前驱体络合物的制备：称取一定量萘胺(C₁₀H₉N)，加入水和乙醇为的混合溶剂中，充分超声使其溶解；加入PdCl₂水溶液，静置后即可得到黄色片状Pd(II)-萘胺络合物，离心干燥；

2)嵌入式多孔Pd/C纳米框架的制备：将步骤1)制得的黄色粉末，在惰性气氛下，以程序升温至200℃～1000℃进行热处理，并在该温度下保持0.5～10h，然后冷却，即可得到最终产物。

优选地，所述的混合溶剂中，水和乙醇的比例为(0.1～99):1。

所述的黄色片状Pd(II)-萘胺络合物中Pd的质量分数为0.1～90％。

所述的惰性气氛下，程序升温速率为2.5～20℃·min^-1。

所述惰性气氛为氮气、氩气或者二氧化碳气氛。

本发明制备方法所制得的材料为多孔框架结构，且Pd纳米粒子均匀地嵌入在多孔框架中，该材料能够作为燃料电池催化剂应用，具备优异的甲酸氧化、氧还原电催化性能和稳定性。

本发明方法中，以PdCl₂为金属源，萘胺为络合物，利用预先制备的片状Pd(II)-萘胺络合物的自身高温炭化还原制备得到嵌入式多孔Pd/C纳米框架。该催化剂尺寸均一、形状规整，其中的Pd纳米粒子具有超细的粒径且均匀地嵌入在炭纳米框架中。此外，所述的多孔Pd/C纳米框架中还含有N元素，由于框架与Pd之间的协同作用，所得到的催化剂具有较高的电催化活性和稳定性。