[发明专利]用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂及其制备方法，该催化剂的钯、铜、氮化钽、导电炭黑组分在催化剂中所占的质量百分比为3‑10％、0‑10％、15‑70％和15‑70％，其制备方法为在乙二醇溶液中，以柠檬酸钠为还原剂制备分散的碳载PdCu@TaN/C纳米电催化剂。本发明为首次制备合成导电炭黑负载氮化钽钯基电催化剂，制备方法条件温和，操作简单可控，节能环保。本发明的电催化剂是第一次作为直接甲醇和甲酸燃料电池阳极材料，与商业催化剂相比，贵金属用量显著降低，对碱性条件下甲醇和酸性条件下甲酸的氧化反应具有高电催化活性(分别是商业钯碳催化活性的6.3和4.9倍)、强抗CO中毒能力等优点。

技术领域

本发明属于燃料电池电催化剂技术领域，具体涉及一种用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染，燃料电池已被广泛认为是最有前途和最环保的绿色能源。诸如甲醇和甲酸之类的有机小分子燃料电池由于较高的比能和较低的工作温度引起了广泛的关注。在燃料电池中，其关键材料之一是电极催化剂。许多报道表明，钯是碱性介质中甲醇氧化反应(MOR)和酸性介质中甲酸氧化反应(FAOR)的有效催化剂。然而，考虑到它是一种贵金属且容易被一氧化碳中毒，有必要进一步提高钯(Pd)催化剂的催化活性和稳定性，以达到高效和低成本的目的，来满足未来商业化的要求。因此，开发高催化活性、稳定和低成本的催化剂是十分有必要的，但是目前钯基与氮化钽复合催化剂用于甲醇和甲酸的氧化反应还未见报道。

当前制约直接甲醇和甲酸燃料电池的关键因素在于如何设计开发同时具有高电催化活性、强抗CO中毒能力和较低贵金属用量的催化剂，从而推进直接甲醇和甲酸燃料电池的规模化应用。

发明内容

为了解决上述现有技术瓶颈，本发明的目的在于提供一种直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂及其制备方法，本发明首次通过氮化钽修饰钯基催化剂，制备合成导电炭黑负载氮化钽钯基电催化剂，材料粒径小，制备方法条件温和，操作简单可控，节能环保。本发明电催化剂也是第一次作为直接甲醇和甲酸燃料电池阳极材料，对碱性条件下甲醇和酸性条件下甲酸的电氧化在降低贵金属用量的同时，通过铜和氮化钽的协同作用，依然具有高电催化活性、强抗CO中毒能力等优点，从而降低催化剂成本，提高燃料电池效率和贵金属利用率，加快其商业化应用的进程。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂，该催化剂为钯铜氮化钽为壳、碳为核的核壳型催化剂，分子式为PdCu@TaN/C；该催化剂的钯、铜、氮化钽和导电炭黑组分在催化剂中所占的质量百分比分别为3-10％、0-10％、15-70％和15-70％。

所述用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)在容器中加入氮化钽、导电炭黑和乙二醇，放置于磁力搅拌器上搅拌，然后进行超声处理使氮化钽和导电炭黑在乙二醇中分散均匀，得到混合物A；

2)将氯钯酸钠、氯化铜和柠檬酸钠加入到步骤1)得到的混合物A中，置于磁力搅拌器上搅拌均匀，得到混合物B，其中按照钯负载量为3-10％质量分数加入对应质量的氯钯酸钠，按照铜负载量为0-10％质量分数加入对应质量的氯化铜，按照氯钯酸钠质量的8～10倍加入还原剂柠檬酸钠；

3)将步骤2)得到的混合物B升温至100-130℃搅拌2-6h，其中氯钯酸钠和氯化铜被还原为金属钯和铜，得到固液混合物，然后冷却至室温；

4)将冷却至室温后的固液混合物用去离子水和无水乙醇洗涤至无乙二醇、钠离子以及氯离子残留，放入60～80℃的烘箱中干燥6～12h，经研磨得到用于直接甲醇和甲酸燃料电池的碳载钯铜氮化钽纳米电催化剂。

优选地，步骤(1)所述的磁力搅拌器上搅拌时间为15～30min；