[发明专利]介孔PtSnO2/C催化剂的制备及在乙醇电化学氧化中的应用

说明书

技术领域

   本发明涉及制备一种介孔PtSnO₂/C催化剂并用于催化乙醇氧化反应，用介孔SnO₂代替SnO₂纳米粒子后，提高催化剂对乙醇氧化反应的催化活性和稳定性。

背景技术

近些年来，伴随着石油煤炭等传统能源的日益减少，能源短缺的问题也日益严重。随着能源的大量消耗，不仅造成严重的环境污染，还加剧了温室效应带来一系列的生态问题。因此，人们对于具有高效、清洁等特点的燃料电池等新能源技术的使用愿望变得越来越迫切。

直接乙醇燃料电池是用乙醇作为燃料的一种质子交换膜燃料电池；直接乙醇燃料电池的理论能量密度高，乙醇的储存和运输方便，系统结构简单，方便携带；直接乙醇燃料电池和直接甲醇燃料电池相比，由于甲醇沸点低易挥发、对人体有害、易透过nafion膜等缺点，限制直接甲醇燃料电池在移动电源领域的应用。而乙醇和甲醇结构相似，在一定反应条件下电化学性能也相似，且无毒、可再生、来源丰富、使用安全、对nafion膜的渗透率低、和甲醇比能量密度更高（8.01kW·h/kg），是可再生环保型能源。实际应用的潜力巨大，可替代直接甲醇燃料电池实现醇类燃料电池在家用电器如手机、笔记本电脑以及电动车等领域的应用。目前直接乙醇燃料电池的能量利用率不高，这是因为乙醇的电化学氧化反应涉及乙醇在催化剂表面的吸附、C-C键的断裂和许多中间产物，反应复杂很难进行。目前的催化剂催化活性低，乙醇氧化的主要产物是乙酸，大大降低了乙醇的利用率。开发高活性的电催化剂对发展直接乙醇燃料电池意义重大。

在所有金属中，Pt是直接乙醇燃料电池性能最好的催化剂。但是乙醇氧化产生的中间产物对Pt有很强的吸附作用，使得Pt催化剂很快中毒失活，运行寿命短。而且Pt催化剂的成本高，目前研究的主要方向是Pt基合金电催化剂。PtSn和PtRu催化剂是研究最多的两种二元电催化剂。研究发现PtSn 电催化剂对EOR的催化活性要比 PtRu 催化剂高，而且Sn的价格要比Ru低得多，可以降低催化剂的生产成本。

发明内容

本发明的目的是制备一种介孔PtSnO₂/C催化剂用于催化乙醇氧化的反应，通过加入介孔SnO₂代替SnO₂纳米粒子，提高PtSnO₂/C催化剂对乙醇氧化反应的催化活性和稳定性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

介孔SnO₂纳米材料制备过程：将Na₂SnO₃·3H₂O溶解在一定量的蒸馏水中，待完全溶解后，加入一定量的油酸并搅拌均匀（水和油酸的体积比为1:5）。该混合物在150°C的烘箱中恒温5 h后，自然冷却至室温，过滤，用无水乙醇洗涤，在60 °C 的烘箱中干燥12 h。再在300°C下煅烧2 h，制得介孔SnO₂。

介孔PtSnO₂/C电催化剂制备过程：将介孔SnO₂、H₂PtCl₆和一定量的乙二醇混合后超声分散均匀，升温到130°C恒温加热2小时后，降温至60°C，加盐酸溶液调节pH<1，加入适量XC-72R碳载体混合成浆液，搅拌过夜，过滤，洗涤至检测不到氯离子，然后干燥即可得到PtSnO₂(M)/C电催化剂。该反应中Pt和Sn的摩尔比为3:1，Pt的负载量为20wt%。

催化乙醇电化学氧化：取5 mg电催化剂，加入5 μL的Nafion溶液，用1 mL乙醇稀释，超声分散成均匀浆液。取40 μL涂在直径为3 mm 的玻碳电极上并形成薄层，用红外灯烤干，作为工作电极。测试用参比电极采用饱和甘汞电极（SCE），对电极为Pt电极，电解液采用含有1mol/L乙醇的0.5 mol/L的H₂SO₄溶液。电化学工作站的扫描速度为5 mV/s。反应在室温进行。