[发明专利]一种负载型钯钴磷纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种负载型钯钴磷纳米材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：1)将碳黑(包括但不限于XC‑72R,乙炔黑，科琴黑)加入到乙醇溶液中超声均匀混合；2)将乙酰丙酮钯、乙酰丙酮钴和聚乙烯吡咯烷酮加入到N,N‑二甲基甲酰胺溶液中超声均匀混合；3)将步骤2)所得混合溶液加热处理；4)将步骤3)所得混合溶液离心清洗干净分散到步骤1)碳黑和乙醇的混合溶液中，在密封条件下进一步超声处理；5)将步骤4)所得产物进一步离心清洗后干燥；6)将步骤5)所得产物在惰性气体保护下进行磷化处理，即可。将本发明制备的碳黑负载钯钴磷纳米催化剂用作甲酸电氧化阳极时具有高的催化性能，在直接甲酸燃料电池及其它能源转换/储存领域具有广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及负载型催化剂技术领域，具体涉及碳黑负载钯钴磷纳米催化剂的制备方法及其甲酸电氧化应用。

背景技术

直接甲酸燃料电池以液体甲酸为燃料，具有能量转化效率高、安全、环境友好等优点被认为是应用于小型便携式电子设备电源以及汽车动力源等领域最具前途的新一代环保型电源。而甲酸电氧化是直接甲酸燃料电池不可或缺的阳极催化反应。目前，常用传统商业钯/碳作为阳极甲酸电氧化催化剂，其催化活性和稳定性不够优良及价格昂贵等缺点难以满足实际商业化的需求。为推进直接甲酸燃料电池的商业化进程，设计和制备低成本、高性能的甲酸电氧化催化剂成为研究焦点之一。过渡金属钴价格便宜及储量相对丰富，将其引入钯催化剂中形成二元合金不仅改变了表面钯的电子结构，而且减少了钯的使用量降低了成本，同时也增强了抗一氧化碳中毒能力，从而展示出高的甲酸电氧化催化活性和稳定性。

催化反应主要研究的是催化剂颗粒表界面的电荷转移过程。调节催化剂纳米颗粒合适的分散度和粒度能够加快电极反应速率，因而提高了钯的利用率。由于使用了具有分散和粒度调节作用的表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮易包覆在金属纳米颗粒的表面难以清洗干净，从而覆盖部分活性位点导致催化性能降低，因此对预先制备的二元钯钴合金进行磷化形成三元钯钴磷合金能够有效地去除催化剂表面未清洗干净的表面活性剂，从而进一步提升甲酸电氧化催化性能。

因此，研究一种低成本、高性能且适合大批量生产的催化剂制备方法，应用于甲酸电氧化对于加快直接甲酸燃料电池的商业化进程具有重要的实际意义。

发明内容

基于此，本发明旨在于提供碳黑负载钯钴磷甲酸电氧化催化剂的制备方法，该制备方法是结合溶剂热和固相还原两步法合成碳黑负载钯钴磷纳米催化剂，制备的催化剂具有高的甲酸电氧化催化性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种负载型钯钴磷纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将碳黑加入到乙醇溶液中均匀混合；

2)将乙酰丙酮钯、乙酰丙酮钴和聚乙烯比咯烷酮加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中均匀混合；

3)将步骤2)所得混合溶液加热处理获得钯钴合金；

4)将步骤3)所得产物离心清洗后分散到步骤1)获得的碳黑和乙醇的混合溶液中，在密封条件下均匀混合；

5)将步骤4)所得产物离心清洗后干燥获得负载型纳米钯钴催化剂；

6)将步骤5)所得产物在惰性气体保护下进行磷化处理，获得负载型钯钴磷纳米材料。

进一步，所述步骤1、2、4)中，使用超声波均匀混合。

进一步，所述步骤1)中，碳黑在乙醇溶液中的浓度为1～10mg mL^-1，在30-80℃下进行超声处理1h。

进一步，所述步骤2)中，乙酰丙酮钯与乙酰丙酮钴的摩尔比为1：0.3～3。

进一步，所述步骤2)中，聚乙烯吡咯烷酮与N,N-二甲基甲酰胺溶液的比为50-200mg： 5-20mL。