[发明专利]一种Pd/HNC催化材料及其制备方法和作为燃料电池催化剂的应用

说明书

本发明公开了一种Pd/HNC催化材料及其制备方法和作为燃料电池催化剂的应用。Pd/HNC催化材料由纳米钯颗粒均匀分散在碳化希瓦氏菌上构成，其制备方法是将钯源溶液与希瓦氏菌溶液进行搅拌使希瓦氏菌充分吸附钯源，将吸附了钯源的希瓦氏菌进行碳化处理和还原处理，即得；制备的Pd/HNC催化材料具有高氧还原催化活性，且在酸性和碱性环境中均具有较高稳定性，可作为燃料电池的催化材料应用。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池催化剂材料，特别涉及一种Pd/HNC材料及利用希瓦氏菌细菌吸附钯源以及通过碳化和还原制备Pd/HNC材料的方法，还涉及Pd/HNC材料作为燃料电池催化剂的应用，属于燃料电池催化剂领域。

背景技术

近些年来，质子交换膜燃料电池作为绿色、清洁的能源转换装置备受研究人员关注，可应用于交通工具和可移动电子设备。目前，人们常用铂及其合金做质子交换膜燃料电池的电极催化剂，但由于在质子交换燃料电池中存在两个重要问题尚未解决：一方面，由于碳载体被腐蚀导致催化剂的稳定性降低；另一方面，催化剂使用贵金属，费用昂贵，从而限制了其工业化发展。因此，当务之急是提高催化剂催化氧还原的稳定性，并降低制备成本。

目前燃料电池通常使用铂为催化剂，目前商用化的燃料电池催化剂为20％的铂纳米颗粒直接负载在Carbon XC-72上，但铂资源的匮乏及成本昂贵直接制约了燃料电池技术的推广，阻碍了它的商业化进程，Pd和Pt属于同一个主族，与铂相比，钯来源更广泛，在铂族金属中储量最高，性质和Pt具有很多相似之处，且Pd催化剂的抗中毒性更强，因此常选择Pd做催化剂，另外，Carbon XC-72载体在酸性介质下很容易被腐蚀。

发明内容

针对现有的燃料电池催化剂及其载体存在稳定性差等缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种抗腐蚀性高、稳定性好、催化活性高的碳化希瓦氏菌细菌载体稳定负载Pd催化活性物质获得的Pd/HNC催化材料。

本发明的另一目的是在于提供一种简单、低成本的制备所述Pd/HNC催化材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种Pd/HNC催化材料在燃料电池中的应用，其具有催化性能好、稳定性高等特点。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种Pd/HNC催化材料，其由纳米钯颗粒均匀分散在碳化希瓦氏菌上构成。

本发明技术方案中碳化希瓦氏菌具有氮掺杂作用，利用其来负载纳米钯颗粒，不但能提高钯的负载稳定性，而且能协同改善钯的催化活性。希瓦氏菌能够很好地吸附钯离子，通过碳化后能够使得钯离子均匀、稳定负载在碳化希瓦氏菌中，特别是通过希瓦氏菌炭化形成的碳材料耐腐性能好。

作为一个优选的技术方案，纳米钯颗粒在碳化希瓦氏菌上的负载量为5～10％。

作为一个优选的技术方案，所述碳化希瓦氏菌呈杆状，直径分布在40～100nm范围内。

作为一个优选的技术方案，所述纳米钯颗粒粒径分布在3～6nm之间。

本发明还提供了一种Pd/HNC催化材料的制备方法，该方法是将钯源溶液与希瓦氏菌溶液进行搅拌使希瓦氏菌充分吸附钯源，将吸附了钯源的希瓦氏菌进行碳化处理和还原处理，即得。

本发明技术方案选择的希瓦氏菌(Shewanella)广泛分布于淡水、海洋和沉积物等自然环境中，目前希瓦氏菌有50多种，大量研究发现，Shewanella oneidensis MR-1这种希瓦氏菌含有丰富的氢化酶，对贵金属具有很高的耐受性，且对Pd²⁺具有优异的吸附能力，并且在一定条件下，其对金属离子还具有一定的还原能力，因此利用希瓦氏菌可以达到很好的沉积金属纳米颗粒目的，选择希瓦氏菌对Pd²⁺的吸附特性和后续的碳化工艺可以合成稳定性好、催化活性高的碳化细菌负载贵金属催化剂。希瓦氏菌最优选为Shewanellaoneidensis MR-1这种希瓦氏菌。