[发明专利]一种用于提高甲酸燃料电池电氧化活性的实现方法

说明书

本发明涉及一种用于提高甲酸燃料电池电氧化活性的实现方法。甲酸电氧化测试是在0.5M H₂SO₄+0.25M HCOOH电解质中进行循环伏安测试，以制备得到的多角PtCoFe为甲酸燃料电池电氧化催化剂，催化剂制备以氯铂酸，氯化钴和三氯化铁为原料，以PVP为还原剂和保护剂，加入特定含量的CTAB和NaBr，在氢气还原气氛下制备得到选择性较高的多角形貌PtCoFe合金纳米粒子，制备方法绿色清洁。获得的多角PtCoFe合金纳米粒子台阶原子多，活性位密度高，在甲酸燃料电池电氧化催化实验中显示出优异的电催化活性，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于甲酸燃料电池性能研究领域。具体的说，本发明是采用多角形貌PtCoFe合金纳米粒子提高催化氧化甲酸燃料电池电氧化性能。

背景技术

贵金属Pt纳米结构催化剂由于其优异的催化性能和热稳定性，广泛地应用于工业催化，生物仿生，电催化等领域。但由于在实际应用中的一些制约因素，如易中毒，寿命短以及价格高昂，使得这种优异的纳米催化剂无法进一步推广及应用。研究工作者为了解决这些问题，目前常采用将价格低廉的3d过渡金属元素部分替代Pt，形成Pt基二元/多元合金催化剂，并且通过条件控制，探究其形貌，组成与催化性能稳定性的关系。

在众多过渡金属元素中，Co和Fe分别作为地球上较为丰富的过渡金属元素之一，是Pt基二元合金较好的选择。目前鲜有制备PtCoFe合金纳米粒子的报道，且这些方法都是有机溶剂大分子作为溶剂，合成出来的PtCoFe合金纳米粒子大多数被有机物包裹，活性位不能暴露，无法与反应物相接触。因此设计和开发水溶液制备PtCoFe合金纳米粒子具有重要的意义。本发明开发的一种制备多角 PtCoFe合金纳米粒子的方法，大大提高了Pt的台阶原子数，增加了PtCoFe合金的活性位密度。

燃料电池被认为是不久的将来可替代传统的内燃机的重要的动力装置。质子交换膜燃料电池另一重要特点在于其既可以清洁能源如氢气等作为燃料，也能够以可再生的小分子有机物如甲酸、乙醇、甲醇等为燃料。根据之前的研究表明， Pt催化剂是质子交换膜燃料电池中催化性能最好的催化剂，但是Pt催化剂高昂的成本和利用率在一定程度上限制了燃料电池的应用前景，因此制备用于改进提高电催化性能的催化剂已成为当前迫切急需解决的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明解决了目前Pt纳米结构催化剂存在易中毒，寿命短、价格高昂以及现有技术的催化剂催化活性较低等技术问题，制备一种高密度活性位的多角形貌PtCoFe合金纳米催化剂，提高Pt纳米结构催化剂的甲酸电氧化性能。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

甲酸燃料电池电氧化测试方法：阳极电氧化性能测试采用常规的三电极体系，在CHI650D型电化学工作站上进行，以饱和甘汞电极为参比电极，对电极为一根铂丝，而工作电极为直径为3mm的玻碳电极，取一定量多角形貌PtCoFe 合金纳米催化剂悬浮液滴到玻碳电极电极的表面上在红外灯下干燥，接着将工作电极滴有样品的一端对着紫外臭氧灯相隔5mm照射12h以除去样品表面的有机物分子，然后在工作电极的表面滴上1.5μL的0.5wt％乙醇稀释的Nafion溶液，催化剂电化学活化面积测试以0.5M H₂SO₄溶液作为电解质，实验前先通30min 的高纯N₂对电解质除氧，接着以50mV/s速率进行循环伏安扫描，设定的扫描范围是-0.24～1.0V，实验过程中保持溶液上方为N₂气氛，甲酸电氧化测试是在 0.5M H₂SO₄+0.25M HCOOH电解质中进行，循环伏安测试之前，通高纯N₂吹扫30min用来除去电解质中的溶解氧，设定的扫描范围为-0.2～1.0V，确定扫描速度为50mV/s，电流密度以工作电极上单位催化剂电化学活化面积上的电流表示，每个工作电极以50mV/s的速率循环扫描处理50圈得到的稳定的循环伏安曲线，而一种多角形貌PtCoFe合金纳米催化剂制备方法的实验步骤如下：