[发明专利]一种铂/黑磷@碳球甲醇燃料电池阳极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，特别涉及一种铂/黑磷@碳球甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展和人类生活水平的提高，对化石燃料的消耗与日俱增，随之而来的是对生态环境的破坏，寻找可再生的替代能源，缓解环境的压力刻不容缓。直接甲醇燃料电池由于具有能量密度高、环境友好、便于携带与储存等优点，为解决环境问题提供了新思路。直接甲醇燃料电池在移动电源、便携式电子产品电源等领域均具有广阔的应用前景，但阳极催化剂低的活性底和稳定性差等缺点阻碍了其大规模商业化应用。因此，急需寻找一种高性能的直接甲醇阳极催化剂。

黑磷又称为磷烯，具有正交结构且是磷的反应活性最低的磷同素异形体。层状的黑磷在室温下在热力学上是稳定的，其声子、光子和电子表现出高度的各向异性，在电子薄膜和红外线光电子技术上有重大潜在应用价值。黑磷作为一种半导体材料其具有高性能的载流子迁移率(通常高于200cm²V^-1s^-1)，因此磷烯在场效应晶体管、光电子器件、自旋电子学、气体传感器及太阳能电池等方面有着的广阔的应用前景。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种铂/黑磷@碳球甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法，该催化剂的制备过程简单，原料廉价易得，且催化效果显著提升。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供一种用于制备甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/黑磷@碳球复合材料，其特点是：该复合材料包括黑磷包覆在碳球表面形成的黑磷@碳球核壳结构，其材料作为催化剂基底，并在所述基底材料表面均匀负载铂纳米颗粒。

本发明的第二个方面，所述的铂/黑磷@碳球复合材料在直接甲醇燃料电池阳极催化剂中的应用。

本发明的第三个方面，提供一种铂/黑磷@碳球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将黑磷固体分散在有机溶剂中，得到设定浓度的单层或少层黑磷分散液；

(2)将步骤(1)中的黑磷分散液和葡萄糖混合，搅拌至葡萄糖完全溶解；

(3)将步骤(2)中混合溶液进行水热反应，反应结束后，得到含有碳核黑磷壳结构的复合材料的水溶液；

(4)将步骤(3)中的含有碳核黑磷壳结构的复合材料的水溶液与氯铂酸钠的乙二醇溶液混合均匀，并调节pH至碱性，然后利用微波辐射加热方法使铂在碳核黑磷壳结构的复合材料的表面还原；

(5)将步骤(4)中得到的复合材料进行过滤、洗涤和干燥，得到最终产物铂/黑磷@碳球复合材料。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明的用于制备甲醇燃料电池阳极催化剂的铂/黑磷@碳球复合材料，其中黑磷与碳球所形成的核壳结构，能够在催化甲醇氧化过程中，加速甲醇氧化过程中电子转移速率从而提高电催化性能。单层或少层的黑磷结构增加了负载铂纳米颗粒的比表面积。同时黑磷材料的特殊片层结构提供了特殊的负载位点，利用微波辐射加热在黑磷表面生长的铂纳米颗粒尺寸在3.8～4.5nm，尺寸均一，分布均匀，极大的促进了铂纳米颗粒电化学活性表面积的暴露，增加了催化甲醇氧化活性位点。

(2)本发明所制备的铂/黑磷@碳球复合材料用于直接甲醇燃料电池阳极催化剂，其催化性能和稳定性能均得到极大提高，同时，复合基底黑磷@碳球可以耐受强酸强碱的环境，在酸性和碱性环境中均可以对甲醇氧化反应进行催化，因此本发明所涉及的复合材料和方法，为解决甲醇燃料电池商业化生产提供了新的思路。

(3)本发明与现有的甲醇燃料电池催化剂相比，制备过程简单，原材料廉价易得，极大降低了催化剂成本，适用于大规模商业化生产。

附图说明

构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种铂/黑磷@碳球甲醇燃料电池阳极催化剂的制备流程示意图；

图2为铂/黑磷@碳球复合催化剂在0.5mol﹒L^-1甲醇和1.0mol﹒L^-1硫酸混合溶液中的循环伏安曲线；

图3为铂/黑磷@碳球复合催化剂在0.5mol﹒L^-1甲醇和1.0mol﹒L^-1氢氧化钠混合溶液中的循环伏安曲线。

具体实施方式