[发明专利]一种煤基碳纤维负载钯催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤基碳纤维负载钯催化剂的制备方法。

背景技术

随着世界各国对能源危机和环境污染问题的高度重视，开发新型高效清洁能源成为国际研究与开发的热点之一。燃料电池是目前举世公认的高效、清洁的能源装置，具有诸多优点，如高效、环保无污染、燃料来源方便等，被称为21世纪的绿色能源。近年来对用甲酸代替甲醇作燃料的直接甲酸燃料电池(DFAFC)的研究倍受瞩目。DFAFC具有很多优点，如甲酸无毒、不易燃、存储和运输安全方便。虽然DFAFC具有诸多优点，但是其常用的贵金属Pd基催化剂仍然存在价格昂贵、甲酸氧化电催化稳定性较差等缺点，因此如何降低Pd的用量、提高Pd的催化效率，得到稳定的Pd基催化剂是DFAFC发展的一个非常重要的问题。

催化剂载体的选择对于其催化活性有重要影响，载体一方面可增大负载纳米粒子的分散度，提高电催化反应所需的电化学活性面积，从而使催化剂具备良好的活性，另一方面减缓负载的纳米粒子的长大过程，从而提高催化剂的稳定性。理想的电催化剂载体必须同时具备高比表面积、高导电性、合适的孔结构、耐腐蚀以及合适的表面基团等条件。碳纤维是经高温炭化、活化制备而成的一种多孔性纤维状材料，具有长径比大、比表面积高、导电率高、化学稳定性高、具有丰富的微孔等优点。其巨大的比表面积，为提高负载贵金属催化剂的分散性和降低贵金属催化剂的用量提供了有利条件；高导电率的性能，为传输电极反应产生的电子提供了便利途径；高化学稳定性，为防止电池中电解质的腐蚀提供了有力保证；丰富的微孔结构，为提高膜电极催化层三维立体结构的稳定性提供了有利条件。这些特性使得碳纤维能够作为燃料电池的优良催化剂载体。

煤炭具有储量丰富、含碳量高、富含芳烃和杂原子等特性，使其不仅可作为优良的燃料和化工原料，还可作为获取高附加值碳材料的原料。若从分子水平上制备出功能性碳材料及其复合材料，有望发展成为煤炭资源清洁、高效和高附加值利用的新途径。因此将煤作为碳源制备煤基碳纤维材料，并将其作为Pd基催化剂的载体，研究和开发新型煤基碳纤维负载钯催化剂将具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤基碳纤维负载钯催化剂的制备方法。

本发明涉及一种煤基碳纤维负载钯的复合催化剂材料，其成分为钯/煤基碳纤维，合成步骤包括以下几步。

(1) 将10g煤粉置于冰水浴中，搅拌下加入240 mL浓硫酸:浓硝酸=1:1(体积比)混合液，静置48h后加入3L水稀释后抽滤、洗涤、干燥，得到氧化煤。

(2) 在70℃下将0.8g聚丙烯腈溶于10mL N,N-二甲基甲酰胺，再加入0.8g的氧化煤，混合搅拌过夜，制成纺丝液。

(3) 将纺丝液加入到注射器中，安装在静电纺丝机的注射泵上，在电压20 kV、纺丝液推注速度0.9mL/h、接收距离20cm的条件下进行纺丝，得到前驱体纤维无纺布。

(4) 将得到的前驱体纤维无纺布固定在瓷舟上，在马弗炉中以1°C/min的升温速率升至280℃，保温3 h进行预氧化，再将预氧化的纤维布置于程序控温高温管式炉中，在N₂气氛中，以5℃/min的升温速率升至800 ℃，保温3h后使其自然降温至室温，制得煤基碳纤维。

(5) 0.04 g煤基碳纤维加入20 mL乙二醇和5mL异丙醇，超声分散30 min，加入20 mL含0.0167g 氯化钯乙二醇溶液及0.03 mL浓盐酸，搅拌均匀后，加入0.9 mL 4 mol•L^-1KOH水溶液，磁力搅拌3 h以上，使其充分混合。

(6) 将步骤(5)中的混合物在常压160℃条件下加热回流3 h之后室温搅拌12 h。

(7) 将步骤(6)中获得的产物用大量热的高纯水充分洗涤，60℃真空干燥12 h。

附图说明

图1为本发明以煤为碳源，采用静电纺丝法制备的煤基碳纤维的扫描电镜照片，由照片可看出，制备的煤基碳纤维长径比大、尺寸均匀。

图2为本发明以煤基碳纤维为载体负载钯催化剂材料的扫描电镜照片，由照片可看出，在煤基碳纤维上负载了钯纳米粒子，粒径约为几纳米。

图3为本发明制备的煤基碳纤维负载钯催化剂的甲酸氧化电催化的CV曲线，由图可看出，峰电位为0.14V的峰为甲酸氧化峰，电流密度为450mA•mg^-1_Pd，说明该催化剂具有良好的甲酸电催化性能。

具体实施方式

实施例1

将10g煤粉置于冰水浴中，搅拌下加入240 mL浓硫酸:浓硝酸=1:1(体积比)的混合液，静置48h后加入3L水稀释后抽滤、洗涤、干燥，得到氧化煤；再将0.8g氧化煤加入70℃下溶解0.8g聚丙烯腈的10mL N,N-二甲基甲酰胺，混合搅拌过夜，再将其加入到注射器中，在静电纺丝机的注射泵上，于电压20 kV、纺丝液推注速度0.9mL/h、接收距离20cm的条件下进行纺丝，得到前驱体纤维无纺布；再将前驱体以1℃/min的升温速率升至280℃，保温3 h进行预氧化，预氧化后的纤维布置于程序控温高温管式炉中，在N₂气氛中，以5℃/min的升温速率升至800℃，保温3h后使其自然降温至室温，制得煤基碳纤维。在0.04 g制得的煤基碳纤维中加入20 mL乙二醇和5mL异丙醇，超声分散30 min，然后加入20 mL含0.0167g 氯化钯的乙二醇溶液及0.03 mL浓盐酸，搅拌均匀后，加入0.9 mL 4 mol•L^-1 KOH水溶液，磁力搅拌3 h以上，常压160℃条件下加热回流3 h之后室温搅拌12 h，用大量热的高纯水充分洗涤，60℃真空干燥12 h，即得煤基碳纤维负载钯催化剂材料。