[发明专利]一种钯铁双金属电催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池的生产技术领域，特别是用作燃料电池的催化剂的制备技术领域，具体涉及一种钯铁双金属电催化材料及其制备方法。

背景技术

甲醇是最简单的液态有机物，也是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。甲醇来源丰富、价格低廉、便于携带和储存、能源转化率较高。甲醇在燃料电池领域的应用有以下两种：一是将甲醇重整改质成富氢气体进入氢氧燃料电池进行发电；二是直接将甲醇作为燃料在燃料电池内进行电催化发电，这就是直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell,DMFC)。与其他燃料电池相比，DMFC价格便宜，结构简单，储存方便，启动时间短，洁净环保，能量密度高及方便补充燃料，适用于移动式或便携式电源；但是DMFC的商业化仍然受到一些技术问题的制约，如催化剂的活性偏低、甲醇易渗透问题等。目前对DMFC的研究主要集中在两方面：一是改善催化剂的电催化性能，二是研究防止渗透的质子交换膜。

铂是DMFC应用最成熟的催化剂，但考虑到铂的价格昂贵且易中毒，因此除了铂基阳极催化剂外人们还研究了其他非铂系催化剂。钯和铂有着相似的价电子层结构和晶格常数，且相对价格便宜、储量丰富，有着优异的催化性能。Wieckowski小组研究了Pd催化剂的粒径对催化性能的影响，发现粒径小的Pd纳米粒子能增强其电催化活性。Wang等发现了复合材料能有效地提高Pd催化剂的稳定性和催化能力，减小了Pd的负载量，降低了产品的生产成本。钯复合材料虽然在其催化效果上得到提高，但许多复合材料的制备过程复杂繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的制备钯铁双金属电催化材料的方法，以及由该方法制得的钯铁双金属电催化材料(Pd-Fe/Ti电极)，在低成本的基础上，进一步降低能耗，简化制备过程，提高甲醇燃料电池阳极催化剂的稳定性和对甲醇的催化活性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种钯铁双金属电催化材料，是通过下述方法制备提到：以钛片为基体，以H₂PdCl₄水溶液为反应前驱体，依次加入FeCl₃水溶液、H₂O、NaBH₄水溶液，采用液相还原法制备Pd-Fe/Ti电极。

(1)在一些实施方式中，其中基底钛片的前处理：依次用600、800、1200目的金相砂纸打磨抛光，依次在体积比为1:1的乙醇丙酮混合液、去离子水中超声20min，然后放入体积比为1:1的盐酸溶液中，在恒温水浴锅中85℃下恒温加热20min，最后将刻蚀好的钛片在去离子水中超声洗净。

(2)在一些实施方式中，其中电催化材料的制备：冰浴条件下于反应釜中以钛片为基体，按照表1中所示，依次加入反应前驱体H₂PdCl₄水溶液，FeCl₃水溶液、H₂O，最后将NaBH₄水溶液加入到混合溶液中，并伴随玻璃棒的搅拌。静置8h后抽取上层清液，将反应釜放入恒温干燥箱于60℃下烘干2h。

表1配置一系列反应底液的详细配方表

Pd-Fe/Ti电催化氧化甲醇的研究：以不同钯铁比例的Pd-Fe/Ti作为工作电极，同样的饱和甘汞电极(SCE)作为辅助电极，同样的铂片电极作为对电极，分别在2MNaOH和1MCH₃OH溶液中，扫描区间-0.6～0.4，扫描速率为10mV·s^-1时，得出在2MNaOH和1MCH₃OH溶液中不同钯铁比例的Pd-Fe/Ti上的电催化氧化甲醇的循环伏安曲线。由图3可知，不同比例的反应底液所制备出来的不同电极催化效果也不同。当反应底液中H₂PdCl₄和FeCl₃的摩尔比为95:5时，最大氧化峰的电流密度分别是128.10mA·cm^-2，对于甲醇的电催化效果更加显著。