[发明专利]一种高效电催化甲醇氧化燃料电池催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高效电催化甲醇氧化燃料电池催化剂及其制备方法。此电催化剂PtCe/C是以炭黑为载体，Pt为催化剂的活性组分，均匀分散于Pt纳米晶内部的单原子Ce为助剂；其中，PtCe纳米晶均匀的分布在炭黑上，PtCe纳米晶的粒径约2‑4nm；PtCe/C的催化活性在酸性和碱性条件下均是Pt NPs/C催化剂和商业Pt/C催化剂的3倍以上；同时，该催化剂在酸性跟碱性条件下都具有较好的稳定性。制备方法是：(1)先在氢气气氛下合成CeO₂量子点，然后通过混合、搅拌和干燥将其均匀的负载于炭黑上，得CeO₂/C；(2)将制得的CeO₂/C分散于乙二醇中，滴入氯铂酸溶液，在150℃下反应3小时制备得到PtCe/C。本发明方法简单，在燃料电池方面具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池催化剂的制备，具体涉及PtCe/C催化剂及其制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，其具有能量转化效率高，无污染，可实现零排放，运行噪音低，可靠性高，构造简单，便于维护和保养，甲醇来源广泛和操作条件温度等优点，特别适用于手机、便携式笔记本电脑以及一些军工领域的应用。关于发展燃料电池产业，国家也出台了各种相关政策。迄今为止，Pt基催化剂依旧是直接甲醇燃料电池阳极电催化甲醇氧化最好的催化剂，但是，Pt价格昂贵以及Pt容易发生CO中毒从而导致其活性快速降低，直接导致了其难以实现工业化应用。因此，将Pt与过渡金属(如：Ru，Pd，Au和Ni等)形成双金属或三金属催化剂，通过协调作用来提高其电催化甲醇氧化的活性以及稳定性；还可以结合Pt与过渡金属氧化物(如：CeO2，TiO2,SnO2和MnO2等)，通过协调催化作用去提高了电催化甲醇氧化的活性和稳定性。其中，CeO2由于其具有价格低廉以及其表面具有丰富的氧空位，能够有效地去除Pt表面吸附的CO，从而得到了在电催化甲醇氧化方面的大量的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种在酸性和碱性条件下均具有高活性和稳定性的电催化甲醇氧化电催化剂及其制备方法。

本发明提供的电催化甲醇氧化电催化剂，是以炭黑为载体，Pt作为催化剂的活性组会，分散于Pt纳米晶内部的单原子Ce作为催化剂的助剂，表示为PtCe/C；该催化剂中PtCe纳米晶均匀分布在炭黑表面上，PtCe纳米晶的粒径为2-4nm。PtCe/C催化剂的催化活性在酸性条件下分别是Pt NPs/C和商业Pt/C催化剂的3.5倍和4.0倍，其催化活性在碱性条件下分别是Pt NPs/C和商业Pt/C催化剂的4倍和3.8倍。其电化学活性比表面积在酸性跟碱性条件下分别达到了129m²/g-Pt和67m²/g-Pt，其电催化甲醇氧化的电流密度在酸性跟碱性条件下分别达到了1470mA/mg-Pt和8670mA/mg-Pt(可以作为该催化剂的性能数据)。

该燃料电池催化剂具体制备步骤如下：

将硝酸铈铵跟油酸钠以摩尔比1：1混合均匀，搅拌均匀，加入25wt％的氨水，加入的硝酸铈铵的质量跟氨水的体积比例为0.384g/mL，搅拌均匀，放入反应釜中，通气氢气并使得反应釜压力为0.2MPa-1.0Mpa，在150℃-250℃下反应8h-16h，冷却，用乙醇跟环己烷混合洗涤，在60℃下干燥得到CeO₂量子点颗粒；

将制备得到的CeO₂量子点与炭黑以质量比1:9-4:6混合在环己烷中，超声搅拌均匀，使得CeO₂量子点负载在炭黑上，然后在80℃下直接进行干燥，得到CeO₂/C；

将制备得到的CeO₂/C称量20mg，加入到30mL乙二醇溶液中，超声搅拌均匀，再加入氯铂酸水溶液,使得铂的的含量为10wt％-30wt％，放入反应釜中，在100℃-200℃反应3h，然后用乙醇洗涤，离心，在60℃下干燥得到PtCe/C。