[发明专利]一种用于醇类燃料电池的Au@Au/Pt核-壳结构纳米催化剂

说明书

一种用于醇类燃料电池的Au@Au/Pt核‑壳结构纳米催化剂，形状呈凹面立方体，大小为29±4nm；内部为金核，外部为金/铂壳；该催化剂采用以下方法制备获得：首先制备金纳米粒子；然后在金纳米粒子的表面沉积银，形成Au@Ag核‑壳结构的纳米立方体；然后采用原位生长法制备Au@Ag/Au核‑壳结构的纳米立方体，最后加入氯铂酸将银置换出来，得到产品。本发明的催化剂将单纯的铂壳换成由铂金共同组成的壳，进一步的降低了铂的负载量，降低了成本。同时具有独特的核‑壳结构，有着更丰富的原子排布以及更大的表面积，并与金核相互作用具有等离子体激元共振效应，可有效增强催化活性和减弱毒化效应；对于在碱性条件下的乙醇的氧化反应，稳定性以及催化活性更好。

技术领域

本发明属于燃料电池催化剂领域，涉及一种用于醇类燃料电池的Au@Au/Pt纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

醇类燃料电池具有燃料来源丰富、价格低廉、携带和储存安全方便等优点，其中甲醇燃料电池研究较多。然而，由于甲醇有一定的毒性，限制了其在手机、笔记本、电脑等可移动电源领域中的应用。乙醇作为链醇中最简单的有机小分子，与甲醇相比具有如下优点：一是价格低廉，安全，无毒；二是容易运输，具有较小的挥发性；三是理论比能量高；四是来源广泛，是可再生的绿色能源。因此，研究以乙醇为燃料的直接醇类燃料电池不仅具有理论意义，而且应用前景十分广阔。乙醇燃料电池阳极反应的机理为：

CH₃CH₂OH+·OH^- →H₂O + CO₃^2-

由以上反应方程式可以看出，乙醇在完全氧化的过程中会有12个电子产生，相比较甲醇的6个电子来说，这就意味着乙醇在氧化的过程中必须要打破C-C，所以这种条件导致乙醇的完全氧化非常困难。甲醇燃料电池中的贵金属催化剂可能不适用于乙醇燃料电池。

Pt是高效的质子交换膜燃料电池催化剂（Nature 2001, 414, 345 –352），然而，单纯Pt催化剂容易受到燃料氧化中间产物CO的毒化，造成催化活性降低、稳定性变差、动力学缓慢，且Pt储量少，价格高，限制了其应用。为此，科研人员构建一元纳米结构的Pt (J.Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6974 – 6975)、二元或三元纳米结构Pt (Science 2009,324, 1302 – 1305)、核-壳结构的Pt催化剂 (International Journal of HydorgenEnergy 2011, 6, 9151-9154)，应用于燃料电池。比如，Zhu H等（International Journalof Hydorgen Energy 2011, 6, 9151-9154）报道了以Vulcan XC-72R为载体材料，采用两步还原法合成Cu @ Pt / C核壳结构催化剂应用于燃料电池，对于阴极氧还原显示出特别高的活性，针对于开发低铂含量的催化剂以提高贵金属的利用率并由此降低成本。尽管如此，但是如何进一步减少Pt的用量，增强贵金属Pt基催化剂催化活性和稳定性，减弱其催化过程中的毒化效应，仍然是一个挑战。