[发明专利]一种碳包覆二氧化钛纳米花载体的制备方法及其担载铂或铂合金纳米催化剂的应用

说明书

本发明提供了一种制备碳包覆二氧化钛纳米花复合载体的制备方法及其担载铂和铂合金纳米催化剂的应用，它是将冰醋酸及钛酸正丁酯通过水热反应生成花状TiO₂前驱体，经空气中焙烧得到三维TiO₂花状，再将多巴胺(DA)原位聚合成聚多巴胺并包覆在TiO₂纳米花表面，经在惰性气氛下热处理，得到碳包覆二氧化钛纳米花。本发明得到的碳包覆二氧化钛纳米花导电性高、稳定性好，三维立体结构有利于反应物的传输，该制备方法制备工艺简单，易于放大生产。碳包覆氧化钛纳米花复合载体担载铂或铂合金活性组分后对燃料电池氧还原反应具有优良的催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种碳包覆二氧化钛纳米花载体的制备方法及其担载铂或铂合金纳米催化剂的应用，尤其是具有高稳定性高导电性氧气还原反应催化剂载体及催化剂的制备方法，属于无机材料技术领域。

背景技术

燃料电池是一种将燃料化学能直接转换成电能的反应装置，具有比能量高、能量转化率高、环境友好等特点。电催化剂作为燃料电池关键材料，其性能与成本成为影响器件实用价值的关键因素。因此，开发高活性、稳定性的电催化剂对燃料电池技术的实用化具有重要的意义。

目前，金属Pt以其高的电催化活性而广泛应用于燃料电池。为了提高Pt利用率，实用型电催化剂由高度分散的Pt纳米粒子负载在高比表面活性炭等导电载体表面构成。商品化 Pt/C催化剂以活性炭为载体，但是由于活性炭石墨化程度低，在燃料电池强酸、高电位的实际工况下，极易发生腐蚀。解决燃料电池催化剂载体稳定性的问题是燃料电池实用化的前提。

TiO₂具有优异的稳定性、耐酸腐蚀性能，作为非碳载体得到广泛研究。然而TiO₂作为半导体，其电导率低，作为电催化剂载体导电性差，电子传输阻力大，影响电池放电性能。公开号为CN 108711617 A的中国发明专利公开了一种碳包覆二氧化钛纳米颗粒的方法，采用腐植酸作为包覆氧化钛颗粒的碳源，经焙烧后得到碳包覆氧化后，用作锂离子电池负极材料。文献(Journal of Power Sources，2006，159，219–222)报导了一种聚丙烯晴包覆的氧化钛纳米粒子，在氩气中热处理得到碳包覆的氧化钛纳米粒子，用作锂离子电池负极材料。上述方法尽管在一定程度上提高了氧化钛的导电性，但表面形成的无定形碳层稳定性差、纳米颗粒堆叠导致反应物传输困难等问题，因此未能作为燃料电池催化剂载体而得到应用。

发明内容：

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种高导电性、高稳定性和利于反应物传输的碳包覆二氧化钛纳米花复合载体的制备方法，该制备方法制备工艺简单，易于放大生产，担载铂或铂合金后对燃料电池氧还原反应具有优良的催化活性和稳定性。

一种碳包覆TiO₂纳米花载体及担载Pt纳米粒子和Pt合金纳米粒子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛酸正丁酯溶于冰醋酸中并搅拌均匀，得到乳白色溶液；再将混合溶液在水热釜中加热保温一定时间，待水热釜自然降温后，将得到乳白色胶状或沉淀产物或两者混合物以去离子水离心洗涤，最后将产物干燥得到TiO₂纳米花前驱体(p-TiO₂)；

作为优选，钛酸正丁酯与冰醋酸的体积比为1:10～1:100；

作为优选，水热保温时间为6-72h。

(2)将步骤(1)中得到的花状TiO₂前驱体在马弗炉中以1-20℃min^-1的升温速率升温至500℃然后保温0.5-6h，之后自然降温后得到TiO₂纳米花；