[发明专利]用于甲醇氧化反应的非贵金属纳米催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于甲醇氧化的反应的非贵金属纳米电催化剂及其制备方法，该催化剂记作：TM‑Mo₂C/MWCNT；制备方法步骤如下：S1：将MWCNT分散于硫酸和硝酸混合溶液中，先超声处理再静置，用蒸馏水洗涤到中性，干燥后得到酸处理好的MWCNT；S2：将步骤S1得到的MWCNT、钼酸铵和金属硝酸盐分散到无水乙醇中，将混合溶液放置于微波反应器中，加热，待溶液冷却到室温后离心收集沉淀，并用去离子水和乙醇各清洗三次，干燥得到固体混合物；S3：将步骤S2得到的固体混合物置于管式炉中，在Ar气氛中，迅速升温，恒温煅烧，即得TM‑Mo₂C/MWCNT，该制备方法简单，成本显著降低，采用MWCNT为载体，提高纳米颗粒分散性，并提高其导电性和活性，在碱性条件下具有优异的电催化氧化甲醇活性和稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池电催化剂技术领域，具体涉及一种用于甲醇氧化反应的非贵金属纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池（DMFCs）作为未来能源需求的一种有吸引力和应用前景的电源，因其燃料易于储存和运输、能量密度高、不受卡诺循环限制、低排放和操作简单等优点而引起了广泛的研究兴趣；DMFCs的性能和输出功率很大程度上取决于甲醇氧化反应的效率，甲醇氧化反应涉及六电子转移过程，动力学缓慢，需要借助催化剂来加快其反应速率。

目前，贵金属基材料（如Pt和Pd）仍是公认的甲醇氧化反应高效催化剂，然而，稀缺性以及高成本限制了其作为功能性甲醇氧化反应催化剂的大规模应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于甲醇氧化反应的非贵金属纳米催化剂及其制备方法，此电催化剂制备方法简单、节能环保，非贵金属成本低，同时以MWCNT为载体，可以提高纳米颗粒分散性，并提高其导电性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于甲醇氧化反应的非贵金属纳米催化剂，该电催化剂以多壁碳纳米管（MWCNT）为载体，过渡金属掺杂的碳化钼为活性中心，表示为TM-Mo₂C/MWCNT；该催化剂中TM-Mo₂C纳米颗粒均匀生长并锚定在MWCNT管壁上。

上述用于甲醇氧化反应的非贵金属纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：将MWCNT分散于一定浓度的硫酸和硝酸混合溶液中，先超声处理30 min，再静置24 h，最后用蒸馏水洗涤到中性，干燥后得到酸处理好的MWCNT；

S2：将步骤S1得到的酸处理过的MWCNT、钼酸铵和金属硝酸盐分散到无水乙醇中，超声30 min至完全分散，然后将混合溶液装入圆底烧瓶并放置于微波反应器中，在300 W功率下微波加热0~2 h，待溶液冷却到室温后通过离心收集沉淀，并用去离子水和乙醇各清洗三次，然后在80 ℃下干燥12 h得到固体混合物；

S3：将步骤S2得到的固体混合物置于管式炉中，在Ar气氛中，以5 ℃·min^-1的升温速率从25 ℃升温到800 ℃，恒温煅烧2 h，即得TM-Mo₂C/MWCNT。

进一步的，所述步骤S1中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1。

进一步的，所述步骤S2中金属硝酸盐为六水合硝酸镍、六水合硝酸钴和三水合硝酸铜的一种。

进一步的，所述步骤S2中MWCNT与钼酸铵和金属硝酸盐的总质量比为0~2。

进一步的，所述步骤S2中金属硝酸盐和钼酸铵中的TM：Mo的摩尔比为0~0.5。

上述非贵金属纳米催化剂的应用，用于甲醇的氧化，作为甲醇燃料电池阳极甲醇氧化反应的电催化剂，应用的具体步骤为：