[发明专利]一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法，该方法包括：一、将市售碳毡经双氧水中浸泡后干燥得到碳毡载体；二、将四氯金酸水合物粉末溶解于去离子水中得到氯金酸溶液；三、将氯金酸溶液稀释后加入碳毡载体浸泡，经干燥得到金离子负载碳毡；四、将金离子负载碳毡加入小分子醇进行水热还原，得到柔性碳纤维负载金电催化剂。本发明将柔性的碳毡改性后浸泡吸附Au³⁺进行水热还原，在碳毡上原位生长形成金单质，控制了金单质的形貌和尺寸，降低了电催化反应过程中的电荷传递电阻，提高了柔性碳纤维负载金电催化剂的电催化性能，且碳毡方便设计成多种尺寸形状，降低其应用难度，解决了粉体或块体催化剂在大规模应用方面的不足。

技术领域

本发明属于电催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种柔性碳纤维负载金电催化剂的制备方法。

背景技术

在贵金属催化剂的制备过程中，为了尽可能降低贵金属的使用量以及提高贵金属的催化活性位点，常常需要将贵金属负载到载体上。载体不仅能保持金属颗粒的分散，而且对催化系统的效率和稳定性也至关重要。金属与载体的相互作用影响其催化性能的方式有：几何效应(如调控金属纳米颗粒的尺寸、形貌以及应变)、电子效应(如金属与载体之间的电荷转移或由于载体与金属之间的配位而产生的“配体”效应)、界面反应活性、载体直接参与催化反应。催化剂载体可以是石墨碳材料、金属单质或氧化物等。

作为电催化剂，材料的导电性是被考虑的首要因素。碳材料因其优异的导电性而成为电催化剂载体的首选，其作为催化剂载体的优点主要有：(1)具有丰富的孔道结构；(2)表面化学性质易于调控；(3)有利于金属相的还原；(4)具有优异的抗酸碱性；(5)具有高温稳定性(惰性气氛下在1023K时仍能保持稳定的结构)；(6)多孔碳材料可以制备出不同的形状，如纤维状、颗粒状和球形等；(7)活性组分易于回收；(8)成本低廉。因此，碳材料作为载体，成为负载型催化剂的首选。常用的碳载体材料有活性炭、石墨烯、碳纳米管等。而这些碳载体多为粉体或块状结构，使用时需要通过高分子粘合剂(如Nafion、聚四氟乙烯等)将其涂敷在导电基底(碳布、碳纸、镍网等)上，这样不可避免地会导致实验过程中催化剂从基底上脱落而造成电催化性能的降低，以及在电极制备过程中高分子粘合剂的使用所造成的电极整体导电性的降低。另外，这种粉体碳基催化剂难以制备大面积的电极，无法满足后期实际生产应用。因此，直接在柔性导电碳基底上原位生长贵金属催化剂并以此作为高效和独立的电极使用，将是一种有效的方法以解决上述不足，并可以提高电催化性能。

碳基贵金属催化剂的制备方法通常为液相还原法和高温碳热还原或氢气还原法。液相还原法是合成贵金属纳米材料的常用方法，选择一种或多种可溶性贵金属盐，按所制备的材料组成计量配成溶液，使各元素呈离子或分子状态，再向体系中加入合适的还原剂(硼氢化钠、水合肼、醇类小分子等)，使金属阳离子还原成单质析出。但是，由于晶体在溶液体系中生长的各向异性，液相还原法难以控制贵金属在碳基底上的原位还原生长。高温碳热还原或氢气还原法，是利用碳基底或氢气将贵金属还原为零价，然而这种方法难以控制贵金属晶体的形貌和尺寸等。

气相水热法是一种非常有效的原位可控合成方法。相比传统的液相水热法，气相水热法最大的区别在于所有的反应都是由挥发性反应物触发的，并且发生在基底表面由挥发性反应物和水蒸气所形成的薄层液相反应区域内。由于挥发性反应物在薄层液相反应区域内的快速传质，纳米结构生长单元迅速达到饱和状态，从而实现纳米结构在基底表面的快速原位生长。因此，气相水热法用于电催化剂制备有如下优势：①电催化活性组分可以在导电基底上直接生长，可作为独立电极直接用于电催化反应，产生高的电流密度，同时可以避免使用粉体催化剂所带来的复杂的电极制备过程；②气相水热反应过程中，在导电基底表面的薄层液相反应区域中所形成的有限厚度的活性组分更有利于催化活性位点的暴露和导电性的增强，从而提高电催化活性。

发明内容