[发明专利]一种金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有核壳结构的纳米燃料电池催化剂及其制备方法。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置，它具有能量转换率高、环境友好、室温启动速度快、比功率和比能量高等突出特点，被公认为是未来主流的供电装置之一，但是贵金属催化剂的大量使用导致成本居高不下是限制聚合物电解质膜燃料电池大规模应用的核心问题。

近年来，具有核壳结构的纳米材料由于其特殊的结构吸引了广泛关注，目前制备的核壳结构纳米催化剂最常见的是金属包覆金属的双金属核壳结构催化剂。该催化剂的缺点是其内核一般仍为Au、Pd等贵金属，达不到降低催化剂成本的目的；而如果内核采用非贵金属，在长期的工作过程中，内核的非贵金属会发生化学和电化学等溶解现象，降低催化剂的稳定性；因此现有的燃料电池催化剂存在不同时具备高催化活性、稳定性和催化剂成本低的问题。

发明内容

本发明是要解决现有的燃料电池催化剂存在不同时具备高催化活性、稳定性和催化剂成本低的问题，而提供一种金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂及其制备方法。

本发明一种金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂是外壳均匀包覆金属、内核为氧化物纳米颗粒的纳米核壳结构催化剂，所述的外壳均匀包覆金属的厚度为1nm~20nm，所述的氧化物纳米颗粒的粒径为1nm~200nm。

一种金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备均一透明稳定的混合溶液：将氧化物纳米颗粒在功率为20W~1000W、频率为20kHz~80kHz的条件下超声分散于油相溶剂中，得到氧化物纳米颗粒浓度为0.001mol/L~1mol/L的分散液，然后依次加入相转移剂、中间相及水相，并继续超声分散10min~120min，得到均一透明稳定的混合溶液；二、共混搅拌：在搅拌速度为100rpm~1000rpm的条件下将金属外壳前驱体水溶液逐滴加入步骤一得到的均一透明稳定的混合溶液中，加完后继续搅拌10min~60min，得到共混物；三、加入还原剂：在搅拌速度为100rpm~1000rpm的条件下将还原剂加入步骤二得到的共混物中，混匀后在水浴温度为0℃~80℃下、搅拌速度为100rpm~1000rpm条件下继续搅拌反应2h~24h，得到产物混合溶液；四、加入萃取剂：将萃取剂加入步骤三得到的产物混合溶液中，在搅拌速度为100rpm~500rpm条件下搅拌3h~12h后静置，取上层油相并以3000rpm~15000rpm的转速离心处理，即得到生成物；五、离心洗涤及干燥：在转速为3000rpm~15000rpm的条件下，用正己烷/乙醇溶液对步骤四得到的生成物进行离心洗涤3次~15次，在温度为50℃~80℃真空干燥3h~12h，即得到金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂；步骤一中所述的油相溶剂与中间相的体积比为1:(5~15)；步骤一中所述的油相溶剂与水相的体积比为1:(15~30)；步骤一中所述的相转移剂的物质的量与氧化物纳米颗粒的物质的量比为(150~300):1；步骤二中所述的金属外壳前驱体水溶液中金属外壳前驱体的物质的量与步骤一中所述的氧化物纳米颗粒的物质的量比为(0.5~50):1；步骤三中所述的还原剂的物质的量与步骤二中所述的金属外壳前驱体水溶液中金属外壳前驱体的物质的量比为(1~50):1；步骤四中所述的萃取剂与步骤一中所述的水相的体积比为(1~5):1；步骤五中所述的正己烷/乙醇溶液由正己烷和乙醇混合而成，且正己烷与乙醇的体积比为(1~3):1。

本发明的优点：一、本发明所制备的金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂具有独特的氧化物内核，其氧化物内核能够改变外层金属的电子结构和几何结构，进而有效提高贵金属催化剂催化活性和稳定性，与商用的碳载钯（Pd/C）催化剂相比，催化活性为商用的碳载钯（Pd/C）催化剂的1.5~3倍；二、本发明所制备的金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂内核为氧化物纳米颗粒，与内核为贵金属的金属包覆金属的双金属核壳结构催化剂相比，大大降低了燃料电池催化剂贵金属用量，有效降低了催化剂成本；三、本发明所制备的金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂具有分散性好、纳米颗粒粒径和外壳厚度均匀可控等特点；四、本发明的所制备的金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂可作为燃料电池催化剂使用；五、本发明金属包覆氧化物纳米核壳结构催化剂的制备方法操作简单，易于控制，可以使用氯化盐、硝酸盐等普通的前驱体，从而避免传统方法制备核壳催化剂时经常使用到的金属有机化合物，进一步降低合成成本。

附图说明