[发明专利]一种甲醇电氧化催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种甲醇电氧化催化剂的制备方法，将碳纳米材料的分散液涂覆在基底的表面，得到模板；利用原子层沉积法在所述模板的表面沉积含氮有机聚合物膜和Pt纳米颗粒，得到催化剂前驱体；在保护气氛下，将所述催化剂前驱体进行热处理，得到甲醇电氧化催化剂。本发明利用原子层沉积法在碳载体上沉积含氮有机聚合物膜和Pt纳米颗粒，经热处理后，含氮有机聚合物膜碳化为导电的含氮碳膜，与单纯的Pt催化剂相比，在甲醇电催化氧化过程中表现出更高的活性及稳定性。同时，本发明方法简单可控，便于各组分含量、尺寸的精确调节，产品制备均匀性好，重复性高。

技术领域

本发明涉及催化材料技术领域，特别涉及一种甲醇电氧化催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的快速发展，人类对能源的依赖和需求快速增长，传统的矿物能源将在不久的将来被消耗殆尽。同时，化石燃料的使用过程中产生大量污染物，对环境造成巨大破坏。因此，在开发和利用新能源的过程中，绿色、环保是其应当满足的基本条件。燃料电池是一种电化学装置，它以燃料为反应物，经过一系列的化学反应，将化学能直接转化为电能，中间无其它形式的能量转化，能量转换效率高。且燃料电池使用的燃料成本低廉、对环境无污染，产物仅为水和少量的二氧化碳，是一种环境友好型的清洁能源。

低温燃料电池催化剂是低温燃料电池的重要组成部分，分为阳极催化剂和阴极催化剂。阳极催化剂主要用于促进燃料电池阳极处有机小分子如甲醇、甲酸、乙醇等的燃烧，阴极催化剂主要用于促进阴极的氧气还原反应。低温燃料电池目前使用的催化剂多为Pt基催化剂。为了解决单Pt基催化剂易CO中毒的问题，并进一步提高催化剂活性，研究者们对Pt基催化剂做了大量的研究，如在Pt基催化剂中添加Fe、Co或Ni，或者在Pt基催化剂的载体中掺杂N或O。然而，目前尚且没有关于纳米级别可控含氮碳膜修饰Pt基催化剂的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种甲醇电氧化催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法简单可控，便于各组分含量、尺寸的精确调节；制备得到的甲醇电氧化催化剂均匀性好，活性及稳定性高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种甲醇电氧化催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将碳纳米材料的分散液涂覆在基底的表面，得到模板；

(2)利用原子层沉积法在所述步骤(1)中模板的表面沉积含氮有机聚合物膜和Pt纳米颗粒，得到催化剂前驱体；

(3)在保护气氛下，将所述步骤(2)中催化剂前驱体进行热处理，得到甲醇电氧化催化剂。

优选的，所述步骤(1)中碳纳米材料包括碳纳米管、碳纤维、碳球或石墨烯。

优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法包括以下步骤：

(a)脉冲A元素前驱体，使A元素前驱体的蒸汽化学吸附在所述步骤(1)中模板的表面，憋气反应，抽气除去物理吸附在所述模板表面的A元素前驱体；

(b)脉冲B元素前驱体，使B元素前驱体与A元素前驱体憋气反应，抽气除去未反应的B元素前驱体。

优选的，当沉积所述含氮有机聚合物膜时，所述A元素前驱体和B元素前驱体独立地为生成含氮有机聚合物的单体。

优选的，当沉积所述Pt纳米颗粒时，所述A元素前驱体为Pt的有机配合物或烷基化合物，所述B元素前驱体为能够还原或氧化所述A元素前驱体的物质。

优选的，所述沉积的温度为50～400℃，压力为10～200Pa，载气流量为40～60mL/min。