[发明专利]钯纳米晶催化剂及其制备方法与应用

说明书

钯纳米晶催化剂及其制备方法与应用，属于钯纳米催化剂技术领域。解决了现有技术中甲酸电氧化反应的催化剂活性低、稳定性不好，且催化剂的制备方法复杂、无法大批量生产的问题。本发明的制备方法为：先在室温下，将Pd(II)前驱体分散到水中，得到Pd(II)前驱体溶液；然后将偏钒酸盐加入Pd(II)前驱体溶液中，调节pH后，搅拌，得到均一溶液A；升温，将新制还原性溶液逐滴加入溶液A中，冷却至室温，搅拌，得到悬浊液B；最后将悬浊液B经抽滤、水洗、干燥，即得钯纳米晶催化剂。该制备方法简单、经济且环境友好，适合工业化大规模生产，制备的催化剂稳定性好、分散性好，对甲酸电氧化反应表现出优异的活性与稳定性。

技术领域

本发明属于钯纳米催化剂技术领域，具体涉及一种钯纳米晶催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

当今世界，能源是世界各国最为关注的战略资源，由于我国经济发展速度快，能源需求量大，加剧了能源紧张。更重要的是，化石燃料的大量使用造成了严重的环境污染问题，极大影响了人们的生活。这些突出的问题引发了人们对开发清洁、绿色、可持续的能源以取代传统化石燃料的迫切需求。在追求能源器件轻量化、高寿命与无污染的研究背景下，具有高能量转化效率、高能量密度及便携式的燃料电池在众多具有应用前景的能量转换和储存装置中脱颖而出。相较于直接甲醇燃料电池及氢氧燃料电池，直接甲酸燃料电池(DFAFCs)因具有功率密度高、燃料不易挥发且毒性小、甲酸储运安全且对质子膜的透过率低等优点而受到科研工作者的广泛关注，有着极大的商业化应用前景。然而，作为DFAFCs阳极反应的甲酸氧化反应却一直受到催化剂活性低、制备方法复杂且产量低等问题的困扰，因此设计开发具有高活性且制备方法简单、产量高的甲酸氧化电催化剂成为推动DFAFCs发展亟待解决的一大难题。一直以来，铂(Pt)基材料被认为是甲酸氧化反应的有效催化剂，如具有高指数晶面的多面体Pt纳米晶(N.Tian,Z.-Y.Zhou,S.-G.Sun,Y.Ding,Z.L.Wang；Synthesis of Tetrahexahedral Platinum Nanocrystals with High-Index Facets andHigh Electro-Oxidation Activity；Science,2007 316 732)及Pt-Cu合金(D.Xu,S.Bliznakov,Z.Liu,J.Fang,N.Dimitrov；Composition-Dependent ElectrocatalyticActivity of Pt-Cu Nanocube Catalysts for Formic Acid Oxidation；AngewandteChemie International Edition,2010 49 1282-1285)等大量Pt基材料已经被成功合成。然而，Pt基催化剂极易受到甲酸电氧化中间产物CO_ads的毒化，使得其催化活性大幅降低。相较于Pt，钯(Pd)更不易被中间产物毒化，因而设计开发基于金属Pd的甲酸电氧化催化剂成为研究的重点。Jin等人设计了具有不同晶面的Pd纳米晶，并提出了晶面效应对甲酸电氧化催化性能的影响(M.Jin,H.Zhang,Z.Xie,Y.Xia；Palladium nanocrystals enclosed by{100}and{111}facets in controlled proportions and their catalytic activitiesfor formic acid oxidation；Energy&Environmental Science,2012 5 6352-6357)；Wang等人以多元醇为结构导向剂，合成了超细Pd纳米线，表现出优异的甲酸氧化电催化性能(Y.Wang,S.-I.Choi,X.Zhao,S.Xie,H.-C.Peng,M.Chi,C.Z.Huang,Y.Xia；PolyolSynthesis of Ultrathin Pd Nanowires via Attachment-Based Growth and TheirEnhanced Activity towards Formic Acid Oxidation；Advanced FunctionalMaterials,2014 24 131-139)；Zhang等通过晶种法，以十六烷基氯化铵为结构导向剂(CTAC)、抗坏血酸(AA)为还原剂制备了多孔Pd纳米球(L.Zhang,J.Zhang,Z.Jiang,S.Xie,M.Jin,X.Han,Q.Kuang,Z.Xie,L.Zheng；Facile syntheses and electrocatalyticproperties of porous Pd and its alloy nanospheres；Journal of MaterialsChemistry,2011 21 9620)；Feliu等以H₂PdCl₄为前驱体，在冰水浴中制备了Pd纳米立方体，表现出增强的电催化甲酸氧化活性(F.J.Vidal-Iglesias,R.M.Aran-Ais,J.Solla-Gullon,E.Garnier,E.Herrero,A.Aldaz,J.M.Feliu；Shape-dependentelectrocatalysis:formic acid electrooxidation on cubic Pd nanoparticles；Physical Chemistry Chemical Physics,2012 14 10258-10265)。然而，上述诸多Pd基纳米催化剂的制备过程繁琐，通常需要采用如多元醇、PVP等作为分散剂和稳定剂，导致产物表面容易产生附着物，并且在制备过程中催化剂的产量极其有限，很大程度上影响了在大量生产同时兼顾高活性的催化剂的制备工艺。