[发明专利]氧化锆‑细菌纤维素负载钯基燃料电池催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池催化材料制备技术领域，具体涉及一种氧化锆-细菌纤维素负载钯基燃料电池催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的电化学反应装置，具有发电效率高、能量密度高和环境特性好等优点，是一项先进绿色能源技术。燃料电池的燃料主要包括甲醇、乙醇、甲酸等，目前燃料电池阳极中最常用的的催化材料是铂基合金，但是铂资源稀缺，价格昂贵，且容易产生一氧化碳中毒等，限制了铂催化剂的应用。钯与铂是同一族元素，它们有相似的特性，都是面心立方晶体结构，且原子的大小相近。钯在地球的储量是铂的50多倍，而钯的市场价约为铂的三分之一，因为一氧化碳中间产物在钯电极上的吸附强度小于其在铂电极上的吸附强度，所以钯上的一氧化碳中毒并没有铂上那么强烈，因此，钯催化剂是代替铂成为燃料电池阳极催化材料的一种较好选择。

近年来，研究人员用了多种方法制备了各种活性组分高度分散的钯基催化剂。钯基催化剂不仅比铂便宜，资源储量丰富，但其依然存在着严重的缺点，如钯作为催化剂时在电催化过程中，由于燃料不完全氧化产生的中间产物CO使催化剂中毒，从而降低催化活性。

过渡金属氧化物具有较强的化学稳定性和电化学稳定性，在甲酸、甲醇等有机小分子的氧化过程当中，能够提升催化剂材料的整体稳定性，减少电化学活性面积的损失。纳米氧化锆（ZrO₂）是一种性质独特的稀土氧化物，具有优异的催化活性、良好的热稳定性和化学稳定性以及电子、氧空位传递能力。

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC），又称作微生物纤维素；化学式为(C₆H₁₀O)_n，是由β-D-葡萄糖单体以β-1,4糖苷键连接而形成的一种直链多糖生物质。由于拥有超细的三维网络结构、大量的纳米级孔径分布、很大的比表面积以及丰富的表面羟基基团，满足了燃料电池催化剂载体的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有钯基催化剂易CO中毒和活性降低的问题，提供了一种氧化锆-细菌纤维素负载钯基燃料电池催化剂的制备方法。通过氧化锆和细菌纤维素复合载体的协同作用，能够显著改善钯纳米催化剂颗粒在载体表面的分散性和粒径，进而提高其催化性能。

为实现上述发明目的，本发明是通过如下技术方案实施的：

一种氧化锆-细菌纤维素负载钯基燃料电池催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将块状的细菌纤维素膜加入氢氧化钠溶液中，在358 K下水浴处理；水浴处理完毕后，用大量去离子水反复冲洗，直至pH值呈中性；然后将细菌纤维素膜放入预冷至-12℃的NaOH-CO(NH₂)₂-H₂O混合溶液中，强力搅拌至块状细菌纤维素全部溶解，即得到透明的细菌纤维素溶液；

（2）将ZrOCl₂·8H₂O和步骤（1）处理后的细菌纤维素溶液混合超声0.5~5小时，使其充分分散，随后继续磁力搅拌0.5~8小时，再逐滴加入2 mol/LHCl溶液使分散液pH值呈中性，最后通过离心洗涤冷冻干燥得固体粉末；

（3）将步骤（2）得到的固体粉末放置于管式炉中，在保护气体气氛中升温到300~500℃，保温0.5~8小时，得到氧化锆-细菌纤维素复合载体；

（4）随后将氧化锆-细菌纤维素载体加入氯钯酸溶液中超声搅拌0.5~6小时，得混合液；

（5）将步骤（4）所得混合液缓慢逐滴加入至还原剂溶液中，室温下磁力搅拌1~10小时，离心洗涤干燥得到氧化锆-细菌纤维素负载钯基燃料电池催化剂。

步骤（1）中所述氢氧化钠溶液的浓度为0.3~2.5wt%，水浴处理时间为0.5-5小时，NaOH-CO(NH₂)₂-H₂O混合溶液中NaOH 、CO(NH₂)₂和H₂O的质量比为7:12:81。

步骤（2）中所述ZrOCl₂·8H₂O和细菌纤维素的质量比为1:5~5:1。

步骤（3）中所述保护气体为氮气、氩气和氢气中的一种或几种。

步骤（4）中所述混合液中，锆与钯元素的摩尔比为1:3~3:1。