CN103623864A - 直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法 - Google Patents

直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，以石墨烯和有机小分子的复合材料为载体，载体负载为Pt，载体负载的质量百分比为20%；1）将石墨烯纳米片粉碎加入到乙二醇中超声搅拌得石墨烯分散液；将有机小分子加入到乙二醇中超声搅拌得有机小分子分散液；2）向石墨烯分散液与有机小分子分散液的混合液中加去离子水搅拌12～24h；油浴并搅拌，80-90℃时加入氯铂酸溶液，温度为110-130℃时反应3～5h，将滤饼依次用去离子水和乙醇分别洗涤至其中无乙二醇为止，真空干燥，得到粒径为2～3nm的性能优良的催化剂。本发明制备方法简单，条件可控性好，提高了石墨烯的分散性及Pt催化剂颗粒在石墨烯空间分布均匀性和催化剂的稳定性。

Description

直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种直接液流甲醇燃料电池阳极催化剂，尤其涉及一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法。 
背景技术
直接甲醇液流电池是一种利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能化学电源。它具有容量高、使用领域（环境）广、循环使用寿命长的特点，是目前的一种新能源产品，具有广泛的应用前景。其阳极催化剂决定着直接液流甲醇燃料电池的性能。而催化剂的电化学性能不但与催化剂的组成、颗粒的大小和载体上纳米颗粒的分散性有关，又与催化剂载体材料的种类密切相关，因此载体材料的选择至关重要。目前直接液流甲醇燃料电池阳极催化剂主要采用碳黑材料（Carbon公司的Vulcan XC-72R）为载体，提高其催化剂的空间分布状态和催化性能。但是在该载体上制备的Pt/C和PtM/C催化剂的利用率都不是很理想。一个重要的原因是大量的铂或铂合金微粒进入到碳黑表面的微孔中，不能与质子导体充分接触，因此其利用率较低,另外，在质子膜燃料电池恶劣的工作环境中，催化剂载体碳黑很容易发生化学腐蚀，而且铂的存在会加速碳化学腐蚀，从而又造成铂的脱落，降低了催化剂的耐久性。因此，发展新型催化剂载体材料具有相当的迫切性。 
石墨烯是一种几乎完美的二维片状结构，在它的平面上除了边缘部分几乎没有功能基团，因此石墨烯易团聚，且与催化剂之间的相互作用力不强。为进一步提高石墨烯作为载体的性能，最有效的方法是将其它材料引入石墨烯实现石墨烯表层的功能化。尽管目前已有人将有机小分子修饰的石墨烯材料用于电催化剂的载体，但是在直接液流甲醇燃料电池中作为阳极电催化剂载体尚未见报道。 
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，由该方法制备得到的催化剂载体是含有多个苯环结构的有机小分子修饰石墨烯。本发明制备方法具有过程简单和条件可控的特点，所制得的催化剂Pt颗粒在载体表面分布均匀、粒径均一，催化剂性能高。 
为了解决上述技术问题，本发明一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，以石墨烯和有机小分子的复合材料为载体，载体负载为Pt，所述载体的质量百分比为80%，余量为载体负载；并包括以下步骤： 
步骤一、将石墨烯纳米片粉碎后，加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌配制石墨烯分散液；将质量百分比为1.5～15%的有机小分子加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌制得有机小分子分散液；其中，石墨烯纳米片与有机小分子的质量比为100:2～100:23； 
步骤二、将步骤一制备得到的石墨烯分散液与有机小分子分散液溶液混合后向其中加入去离子水，去离子水与混合溶液中的乙二醇的体积比为1:2，搅拌12～24h；然后油浴，与此同时进行搅拌，当温度为80-90℃时，按照Pt的质量百分比为20%加入氯铂酸溶液，当油浴温度达到110-130℃时，反应3～5h，经过滤得到滤饼，将滤饼依次用去离子水和乙醇分别洗涤至溶液中无乙二醇为止，真空干燥，得到粒径为2～3nm的直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂。 
本发明直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，其中，步骤一中，所述有机小分子为苝红，苝红加入到乙二醇中的质量百分比为7～8%。步骤一中，所述有机小分子为氨基芘，氨基芘加入到乙二醇中的质量百分比为3～4%。步骤二中真空干燥的温度为60～80℃，时间为12～24h。 
与现有技术相比，本发明的有益效果是： 
本发明的优点，该方法过程简单，过程中条件可控性好，提高了石墨烯的分散性及Pt催化剂颗粒在石墨烯空间分布均匀性和催化剂的稳定性。经电化学测试表明，在酸性介质中，该催化剂对甲醇电氧化反应的催化性能明显高于无修饰石墨烯为载体的催化剂性能。 
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例1的曲线，循环曲线2是对比例的曲线； 
图2为本发明实施例2所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线2是对比例的曲线； 
图3为本发明实施例1所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与实施例2所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例1的曲线，循环曲线2是实施例2的曲线； 
图4为本发明实施例2所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与实施例3，实施例4，实施例5所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线2是实施例3的曲线，循环曲线3是实施例4的曲线，循环曲线4是实施例5的曲线； 
图5为本发明实施例6所制备的Pt/苝红-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例6的曲线，循环曲线2是对比例的曲线； 
图6为本发明实施例3所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂的透射电子显微镜照片； 
图7为本发明实施例6所制备的Pt/苝红-石墨烯催化剂的透射电子显微镜照片。 
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 
本发明一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，以石墨烯和有机小分子的复合材料为载体，载体负载为Pt，所述载体的质量百分比为80%，余量为载体负载；包括以下步骤： 
步骤一、将石墨烯纳米片粉碎后，加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌配制石墨烯分散液；将质量百分比为1.5～15%的有机小分子加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌制得有机小分子分散液；其中，石墨烯纳米片与有机小分子的质量比为100:2～100:23； 
步骤二、将步骤一制备得到的石墨烯分散液与有机小分子分散液溶液混合后向其中加入去离子水，去离子水与混合溶液中的乙二醇的体积比为1:2，搅拌12～24h；然后油浴，与此同时进行搅拌，当温度为80-90℃时，按照Pt的质量百分比为20%加入氯铂酸溶液，当油浴温度达到110-130℃时，反应3～5h，经过滤得到滤饼，将滤饼依次用去离子水和乙醇分别洗涤至溶液中无乙二醇为止，真空干燥，得到粒径为2～3nm的直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂。 
对比例: 
将0.1g1～5nm的石墨烯微片加入100ml去离子水中，细胞粉碎机下超声2h，用孔径为20μm的滤纸过滤，将滤饼溶于200ml乙二醇的混合溶液中，搅拌，超声3h，加入100mL去离子水；搅拌12h，进行油浴，同时进行搅拌，在80-90℃时加入氯铂酸溶液（其加入量 按照Pt的质量百分比为20%来计算氯铂酸溶液），待油浴温度升至125℃，反应4h。将温度降至室温，沉淀物依次用去离子水和乙醇洗涤，过滤；在75℃下真空干燥12h，得到粒径为2～3nm的Pt/石墨烯催化剂。取该催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线图，见图1中所示的循环曲线2。 
实施例1： 
0.1g5～20nm石墨烯微片加入100ml去离子水中，细胞粉碎机下超声2h，过滤膜过滤；过滤后得的石墨烯溶于100ml乙二醇中，常温磁力搅拌和超声1h，得到石墨烯分散液；4mg（即占催化剂总质量百分比为3.077%）氨基芘加入到100ml乙二醇中超声0.5h得有机小分子分散液，把100ml石墨烯分散液和100ml有机小分子分散液混合超声搅拌0.5h，向所得液加入100mL去离子水，磁力搅拌12h；进行油浴，在80-90℃时加入氯铂酸溶液，待温度升至125℃，反应4h。将温度降至室温，经过滤，滤饼依次用去离子水和乙醇分别洗涤至溶液中无乙二醇为止，真空干燥，得到粒径为2～3nm的直接液流甲醇燃料电池负载型Pt基阳极催化剂。 
利用PARSTAT2273电化学站对实施例1的产物进行循环伏安测试，取实施例1制备得到的催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线图，图1示出了本发明实施例1所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例1的曲线，循环曲线2是对比例的曲线；由图1中可以看出本发明的催化剂性能明显优于对比例所制得的催化剂性能。 
实施例2： 
本实施例2的其他条件与实施例1相同，不同的是：将5～20nm石墨烯微片改为1～5nm石墨烯纳米片，得到粒径为2～3nm的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂。取该催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线图，图2示出了本发明实施例2所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线2是对比例的曲线；由 图2中可以看出本发明实施例2的催化剂性能明显优于对比例所制得的催化剂性能。 
图3示出了本发明实施例1和实施例2所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例1的曲线，循环曲线2是实施例2的曲线。由图3可以看出本发明实施例2的催化性能明显优于实施例1所制得的催化剂性能。 
实施例3 
本实施例3的其他条件与实施例2相同，仅改变氨基芘的用量为6mg（占催化剂总质量的百分比为4.528%），干燥，得到粒径为2～3nm的Pt/氨基芘-石墨烯电催化剂。取该催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线表明，本发明的催化剂性能优于石墨烯为载体的催化剂。 
图4示出了本发明实施例2，实施例3，实施例4和实施例5所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线2是实施例3的曲线。由图4可以看出本发明实施例2的催化性能明显优于实施例3所制得的催化剂性能。图6是实施例3所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂的透射电子显微镜照片，从图6可以看出实施例3所制备的催化剂中Pt的粒径为2～3nm。 
实施例4 
本实施例4其他条件与实施例2相同，仅将氨基芘的用量改为2mg（占催化剂总质量的百分比为1.57%），干燥，得到粒径为2～3nm的Pt/氨基芘-石墨烯电催化剂。取该催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线。图4示出了本发明实施例2，实施例3，实施例4和实施例5所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线3是实施例4的曲线。由图4可以看出本发明实施例2的催化性能明显优于实施例4所制得的催化剂性能。 
实施例5 
本实施5其他条件与实施例2相同，仅将氨基芘的用量改为23mg（占催化剂总质量的百分比为15%），干燥，得到粒径为2～3nm的Pt/氨基芘-石墨烯电催化剂。取该催化剂 3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线表明，本发明的催化剂性能优于石墨烯为载体的催化剂。图4示出了本发明实施例2，实施例3，实施例4和实施例5所制备的Pt/氨基芘-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例2的曲线，循环曲线4是实施例5的曲线。由图4可以看出本发明实施例2的催化性能明显优于实施例5所制得的催化剂性能。 
实施例6： 
本实施6其他条件与实施例2相同，将氨基芘改为苝红，其用量为10mg（占催化剂总质量的百分比为7.273%），干燥，得到粒径为2～3nm的Pt/苝红-石墨烯电催化剂。取该催化剂3mg溶于乙醇和Nafion溶剂中，后将其涂在碳纸上作为阳极，在电位为0～1.24V，扫速为10mV/s下，由模拟燃料电池测得甲醇氧化的循环伏安曲线表明，本发明的催化剂性能优于石墨烯为载体的催化剂。图5示出了本发明实施例6所制备的Pt/苝红-石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线与对比例所制备的Pt/石墨烯催化剂用于直接液流甲醇燃料电池阳极甲醇氧化的循环伏安曲线的对比图，其中，循环曲线1是本发明实施例6的曲线，循环曲线2是对比例的曲线；图7是实施例6所制备的Pt/苝红-石墨烯催化剂的透射电子显微镜照片，从图7中可以看出实施例6所制备的催化剂中Pt的粒径为2～3nm。 
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (4)

1.一种直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，其特征在于，以石墨烯和有机小分子的复合材料为载体，载体负载为Pt，所述载体的质量百分比为80%，余量为载体负载；并包括以下步骤：
步骤一、将石墨烯纳米片粉碎后，加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌配制石墨烯分散液；将质量百分比为1.5～15%的有机小分子加入到乙二醇中，乙二醇的量为100mL/100mg石墨烯，超声搅拌制得有机小分子分散液；其中，石墨烯纳米片与有机小分子的质量比为100:2～100:23；
步骤二、将步骤一制备得到的石墨烯分散液与有机小分子分散液溶液混合后向其中加入去离子水，去离子水与混合溶液中的乙二醇的体积比为1:2，搅拌12～24h；然后油浴，与此同时进行搅拌，当温度为80-90℃时，按照Pt的质量百分比为20%加入氯铂酸溶液，当油浴温度达到110-130℃时，反应3～5h，经过滤得到滤饼，将滤饼依次用去离子水和乙醇分别洗涤至溶液中无乙二醇为止，真空干燥，得到粒径为2～3nm的直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂。
2.根据权利要求1所述直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，其中，步骤二中真空干燥的温度为60～80℃，时间为12～24h。
3.根据权利要求1所述直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，其中，步骤一中，所述有机小分子为苝红，苝红加入到乙二醇中的质量百分比为7～8%。
4.根据权利要求1所述直接液流甲醇燃料电池Pt基阳极催化剂的制备方法，其中，步骤一中，所述有机小分子为氨基芘，氨基芘加入到乙二醇中的质量百分比为3～4%。
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