[发明专利]单壁碳纳米管负载铂基燃料电池用电催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的单壁碳纳米管负载铂基电催化剂的制备方法，属燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的装置，因为其能量转换率高、环境友好、操作温度低，寿命长等特点被认为是电动汽车的理想能源。目前，商用的铂基燃料电池催化剂主要是将铂或者铂的合金纳米颗粒分散在碳载体上。但是这种载体上催化剂颗粒仅仅以微弱的黏合作用结合，容易团聚使得催化活性面积减少，催化活性降低。同时，由于碳载体的亲水性，使得在燃料电池工作中产生的水对载体造成腐蚀，使得催化剂流失，催化活性降低，使用寿命缩短。

为了解决碳载体的寿命问题，比表面积大，疏水，导电和导热能力高的碳纳米管成为了新一代碳载体的理想选择。目前，有很多方法制备碳纳米管负载铂基催化剂，比如 微波加热法（CN02160191.7）、离子交换法（CN1012980480）甲醛还原法(CN20041000987.1) 但是这些方法都采用了破坏碳纳米管本身结构的混酸处理来获得铂的锚定位置，因此上述方法的得到的催化剂的稳定性和催化活性受到了很大的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有铂基催化剂稳定性差的缺点，提供一种新的高稳定性，高催化活性的单壁碳纳米管负载铂基催化剂的制备方法。本发明涉及一种用于燃料电池的单壁碳纳米管负载铂基电催化剂的制备方法。一方面，碳纳米管作为载体可以有效避免载体腐蚀造成的催化剂流失，提高催化剂的稳定性；另一方面，铂基纳米颗粒被镶嵌在碳纳米管外壁上，阻止了因颗粒的团聚造成的催化面积降低，进一步提高催化剂的稳定性。

本发明涉及一种单壁碳纳米管负载铂基催化剂的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：

a. 含铂催化剂阳极碳电极棒的制备：采用可石墨化碳粉为原料，加入铂催化剂，和用于生成碳纳米管的过渡金属催化剂，然后压制成圆柱形或者方形棒；在800-1200°C惰性气氛中进行烧结，然后再在1400-2000°C惰性气氛中烧结；含铂基催化剂阳极碳电极棒的原料配方为：可石墨化碳粉55～75 wt%，铂20～40 wt%，铁或钴或镍4～6 wt%，钇0～1 wt%；

b. 碳纳米管负载铂基催化剂的制备：利用电弧放电法来制备；采用上述含铂催化剂碳电极棒为阳极，以高纯石墨棒为阴极，在气压为200~760 Torr的氢气、或氩气、或氦气、或者前三者中的任意二者混合气体的放电气氛下，实现阳、阴两电极之间的电弧放电，来制得碳纳米管负载铂基催化剂粗产物；放电电流为50~200 A；放电时阳极和阴极之间的距离为2~4 mm。

c. 碳纳米管负载铂基催化剂粗产物的提纯：将上述制备的粗产物在氢气或者空气气氛中进行高温热处理；氢气气氛的温度控制在700~900°C；空气气氛的温度控制在300~500°C，处理时间为0.5~1.0小时，以除去多数的碳杂质；同时附着在催化剂表面的石墨层也被除去，最终得到碳纳米管负载铂基燃料电池用电催化剂。

本发明方法在使用电弧放电时，可以使用直流或者交流进行放电。

本发明采用以上技术方案后主要具有以下优点：

1、引入单壁碳纳米管作为载体可以有效避免载体腐蚀造成的催化剂流失，提高催化剂的稳定性，延长催化剂寿命。

2、方案本身不涉及针对碳纳米管任何破坏性的化学处理，碳纳米管的结晶性，导电性良好，提高了催化剂的电子传输能力。

3、铂基纳米颗粒被镶嵌在碳纳米管外壁上，阻止了因颗粒的团聚造成的催化面积降低，进一步提高了催化剂的稳定性。

采用本发明制备的碳纳米管负载铂基催化剂具有催化活性高、稳定性好等特征，可以广泛作为于以氢气和醇类为原料的质子交换膜燃料电池的催化剂。以本发明制备的催化剂其催化活性和稳定性明显优于英国E-TEK公司的商用铂碳催化剂。

附图说明

图1为按照实施例1 制备的碳纳米管负载铂铁催化剂的透射电镜图片。

图2为按照实施例1 制备的碳纳米管负载铂铁催化剂纳米粒子的直径分布。

图3为按照实施例1 制备的碳纳米管负载铂铁催化剂的拉曼光谱。

图4为按照实施例1 制备的碳纳米管负载铂铁催化剂与商用铂碳催化剂对甲醇氧化的循环伏安曲线对比结果。

图5为按照实施例1制备的碳纳米管负载铂铁催化剂与商用铂碳催化剂的电流时间曲线对比结果。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

单壁碳纳米管负载铂铁催化剂的制备