[发明专利]碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于甲酸、甲醇、乙醇等液体燃料电催化氧化反应的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂及其制备方法，尤其涉及一种燃料电池用低铂和低金载量的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂及其制备方法，属于材料科学技术领域和电催化领域。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧直接把化学能转变为电能的装置，因此能量转换效率高，而且没有污染和噪音，一般称之为清洁能源，可用于可移动电源及小型化电源，具有广阔的应用前景。目前用于直接甲酸燃料电池的PtAu/C催化剂，当Pt、Au原子比为1:1时，其催化性能最好。但由于铂和金的价格昂贵，储量有限，采掘冶炼较为困难，催化剂成本的居高不下是造成燃料电池价格昂贵的根本原因。所以降低燃料电池阳极催化剂的贵金属用量和制造成本，同时还要保持其较高的催化活性，成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种低成本的燃料电池阳极催化剂。

本发明所采用的技术方案是：一种碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂，其特征在于：该催化剂以碳纳米颗粒为载体，以钠米颗粒铂、金、铜为负载金属，其中，铂与金的原子比为1:1，铜原子与铂原子的原子比为0.5:1—8:1，铂、金、铜纳米颗粒质量之和占总催化剂质量的10%—60%。

作为一种优选方式：所述载体为vulcan-72R碳纳米颗粒。

作为一种优选方式：负载金属中铂、金以固溶体合金的形式存在，铂和金两种元素不存在偏析现象。

一种制备碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂的方法，按照如下步骤进行：

步骤一、 将铂化合物、金化合物、铜化合物溶解于乙二醇中（乙二醇的量以能够满足铂化合物、金化合物、铜化合物全部溶解即可，多点少点没特别影响），其中，铂与金的原子比为1:1，铜原子与铂原子的原子比为0.5:1—8:1，超声搅拌10min—3h；

步骤二、称取碳纳米颗粒放入质量百分比为20%—70%的硝酸溶液中，碳纳米颗粒质量与步骤一中铂、金、铜原子总质量比为9:1—4:6，在60—80℃下搅拌1—2h，过滤出碳纳米颗粒，用超纯水反复清洗碳纳米颗粒直到pH=7为止，然后加入到步骤一乙二醇溶液中，均匀搅拌并在恒温40—60℃下超声分散1—10h；

步骤三、将硼氢化钠溶解于pH值在12—13之间的氢氧化钠水溶液中，硼原子为步骤一中铂、金、铜总原子的6—10倍，再加入乙醇（为了提高还原剂的还原能力，加入少量的乙醇，乙醇量没特别要求），并搅拌均匀，制成还原剂溶液；

步骤四、在恒温40—70℃下，将步骤三中得到的还原剂溶液缓慢滴加到步骤二所得到的乙二醇溶液中，直至滴加完全，得到的悬浮液静置1-2天，倒掉上层液体后将沉淀物用超纯水反复清洗3—10次，然后于50—80℃下蒸干，研磨后获得碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂。

作为一种优选方式：步骤一中的铂化合物为氯铂酸钾、氯铂酸铵中的一种或两种混合。

作为一种优选方式：步骤一中的金化合物为三氯化金、氯金酸钠、氯金酸中的一种或多种混合。

作为一种优选方式：步骤一中铜化合物为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的一种或多种混合。

作为一种优选方式：步骤二中碳纳米颗粒为vulcan-72R碳纳米颗粒。

作为一种优选方式：步骤四还原剂溶液滴加速率为30滴每分钟—120滴每分钟。

本发明的有益效果是：

(1) 本发明找到一个合适的铂金铜纳米颗粒的比例，所得催化剂对甲酸、甲醇以及乙醇均有较好的电催化性能。

(2) 本方法制备的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂，不仅可以通过非贵金属铜的加入降低了贵金属的负载量，而且铜容易腐蚀溶解的特性也可以使得催化剂表面吸附羟基自由基或者其他含氧化合物，从而有效提高了贵金属铂和金的催化效率和抗中毒能力。

(3) 化学还原过程中保持较高温度的恒温条件，可以有效促进三种金属原子的均匀合金化。

(4) 采用乙二醇环境进行还原有利于形成纳米颗粒的高度分散、均匀分布。

(5) 该方法工艺简单，操作简便，适合大规模制备碳负载型燃料电池用催化剂材料。

附图说明

图1是实施例1中制得的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂透射电镜（TEM）照片。

图2是实施例1中制得的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂化学成分谱图。

图3是实施例1中制得的碳负载铂金铜纳米颗粒催化剂的在0.5M硫酸溶液中的循环伏安曲线，表现出明显的铜溶解峰，以及贵金属铂的还原峰。