[发明专利]一种基于超声辅助合成直接醇类燃料电池阳极催化剂的方法

说明书

本发明具体涉及一种基于超声辅助合成直接醇类燃料电池阳极催化剂的方法，属于纳米催化剂合成和电化学催化领域。本发明公开了一种通过超声辅助将硼原子高效内嵌于钯纳米晶格内部进而合成钯‑硼纳米合金负载于氮掺杂碳材料载体(氮掺杂球形碳黑、氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳纳米角)电催化剂的制备及应用。该方法可宏量合成用作甲醇、乙醇、乙二醇、甘油等直接醇类燃料电池的高效、耐毒且稳定的商用阳极催化剂。本发明的制备工艺简单、反应条件温和、绿色环保且重复性好，所制备催化剂样品活性高且耐毒性强，可实现规模化的工业生产及应用。

技术领域

本发明属于纳米催化剂合成和电化学催化领域，具体涉及一种基于超声辅助合成直接醇类燃料电池阳极催化剂的方法。

背景技术

为应对日益严重的能源短缺问题，开发绿色环保可持续的新能源迫在眉睫。直接醇燃料电池使用便宜且安全的低级醇作为燃料，具有能量转化效率高、工作条件温和、环境友好、携带方便等诸多优势，被认为是一种极具发展前景的新能源装置。催化剂材料是醇类燃料电池的核心部件之一，也是制备高性能、低成本电池的主要技术屏障。其中，阳极催化剂的成本、活性和耐久性是实现燃料电池大规模商业化应用的关键。钯(Pd)基催化剂作为最具规模化实用潜力的阳极催化剂体系具有成本较低、电催化活性高、耐受性强、稳定性好等优点，已被应用于多种电化学能源器件中。然而目前的Pd基催化剂仍然存在催化反应动力学相对迟缓，抗中毒能力差等缺点，导致其活性和稳定性难以满足规模化商业应用的要求。因此，开发高活性、高稳定性、强耐毒的Pd基催化剂材料能够推动直接醇类燃料电池商品化进程。近年来，科研工作者发现：在贵金属晶体结构中引入非金属原子(如硼、氧、磷等)合成纳米合金可以调控催化剂界面结构和电子态，改变反应物、中间物种和产物在催化活性中心上的吸附态，进而优化醇电氧化的反应历程，利用原子之间的协同催化效应显著增强其催化活性和抗毒化能力。然而，将非金属元素嵌入到贵金属晶格内的现有的合成技术需要严苛的实验条件和昂贵的合成成本，难以实现催化剂的宏量制备，无法满足规模化工业生产的要求。因此，亟需开发简便、普适且能宏量合成非金属元素嵌入至贵金属晶格内的新合成方法。

催化剂的支撑材料(载体)对催化剂尤其是金属催化剂的催化性能有很大的影响：一方面，优质的载体可以有效减少贵金属的用量，调控贵金属颗粒的尺寸，增强催化剂的催化性能和稳定性能；另一方面，优质的载体材料能够通过载体-金属之间强相互作用调控催化剂的电子结构，提高催化剂的抗毒化能力。碳材料载体，如炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纳米角等，是优质的电催化剂载体。然而，“洁净的”碳材料载体缺乏与金属相互作用的活性位点，限制其发挥优质电催化剂载体的优势。最近研究发现：在碳材料载体中掺杂氮原子是解决以上难题行之有效的策略。

发明内容

针对将非金属元素嵌入到贵金属晶格内的现有合成技术种存在的不足，本发明提供了一种基于超声辅助宏量合成直接醇类燃料电池阳极催化剂的方法，该制备工艺简单、反应条件温和、绿色环保且重复性好，所制备样品活性高且耐毒性强，可实现工业级的大量生产。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于超声辅助合成直接醇类燃料电池阳极催化剂，所述催化剂为钯-硼(Pd-B)纳米合金负载于氮掺杂碳材料载体表界面。

一种基于超声辅助合成直接醇类燃料电池阳极催化剂的方法，包括以下步骤：

(1)制备氮掺杂碳材料载体；

(2)将载体超声分散后，在持续搅拌和超声条件下滴加Pd前驱体溶液，通过滴加含硼还原剂共还原的方法得到氮掺杂碳材料载体负载钯-硼纳米合金催化剂(Pd-B/氮掺杂碳材料)。

优选地，所述步骤(1)的具体步骤为：适量碳载体超声分散后加入氮源，搅拌均匀后转移至水热釜反应，得到氮掺杂碳材料载体。

优选地，所述步骤(1)提到氮掺杂的氮源可以为尿素、氨水、乙二胺中的任一种。