[发明专利]石墨烯负载铂纳米催化剂的制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种催化剂的制备方法，尤其涉及一种石墨烯负载铂纳米催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧直接以化学反应的方式将燃料的化学能转化为电能的能量装置，具有能量转化密度高、污染小、燃料多样化、可靠性高、噪音低及便于维护等优点，已受到世界各国的高度重视。其中直接甲醇燃料电池的研究更令人关注。它可用于动力电源、移动电话和膝上型电脑电源等等，被认为最有可能得到大规模商业化应用的替代能源技术之一。但是直接甲醇燃料电池的阳极催化剂存在电催化活性低，并且在电催化氧化甲醇的同时产生的CO可以使催化剂中毒，从而大幅度降低电池的性能。因此，提高催化剂的电催化活性和抗中毒的能力已成为燃料电池研究急需解决的关键技术问题。

就直接甲醇燃料电池而言，目前研究的催化剂主要分为两种，即贵金属系列催化剂和非贵金属系列催化剂。非贵金属系列催化剂由于其成本低，近几年也被广泛研究，但是非贵金属系列催化剂普遍存在电催化活性低，稳定性差的缺点，因而未得到长远的发展。目前研究最广泛，应用最普遍的仍然是贵金属系列催化剂，铂基催化剂被认为是最好的电催化剂。其主要基于以下两方面原因：其一，铂基催化剂在强酸性和强碱性电解质中仍然稳定存在；其二，铂基催化剂自身具有很高的氧气还原催化活性。由于铂的价格昂贵，资源有限，且单纯的铂对甲醇的催化效率低、容易中毒，因此要实现燃料电池的商业化，必须进一步降低铂的使用量，并且提高电催化活性和抗中毒能力。为提高铂的利用率和电催化活性以及抗中毒的能力，主要可以从以下两个方面解决这个问题：一方面是合成Pt和过渡金属的合金（Choi, J. H.; Park, K. W.; Kwon, B. K.; Sung, Y. E. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A973-A978; Peng, Z. M.; Yang, H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7542-7543; Lim, B.; Jiang, M.; Camargo, P. H. C.; Cho, E. C.; Tao, J.; Lu, X.; Zhu, Y.; Xia, Y. Science 2009, 324, 1302-1305.），另一方面是选择合适的碳载体制备颗粒细小、均匀分散的Pt/C电催化剂（Wang, S. Y.; Jiang, S. P.; White, T. J.; Guo, J.; Wang, X. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 18935-18945; Sellin, R.; Grolleau, C.; Arrii-Clacens, S.; Pronier, S.; Clacens, J. M.; Coutanceau, C.; Leger, J. M. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21735-21744.）。常用的碳载体有Vulcan XC-72、富勒烯、碳纳米管等。这些碳载体虽然较好的导电性和分散性，但是由于表面的憎水性，使得负载过程不易进行，通常需要对其进行表面修饰。相比较于这些碳材料，石墨烯由于表面带有丰富的亲水基（—OH，—COOH，—C=O等）、高电导率（10³-10⁴ S/m）、大表面积（2600 m²/g），近年已被广泛作为铂基催化剂的载体（Seger, B.; Kamat, P. V. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 7990-7995; Qu, L. T.; Liu, Y.; Baek, J. B.; Dai, L. M. ACS Nano 2010, 4, 1321-1326.）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯负载铂纳米催化剂的制备方法，本发明通过在GNS表面修饰PDDA，为负载Pt NPs提供了大量的活性位点，从而实现了Pt NPs在GNS表面的均匀可控负载。Pt NPs粒径为4~6 nm，且随反应物投料比的改变，粒径无明显变化。采用该方法制备的Pt/GNS催化剂能大幅度提高对甲醇和氧气的催化效率。通过电化学检测表明，Pt/GNS催化剂有效提高了Pt催化剂的利用率和催化性能。

本发明是这样来实现的，方法步骤为：