專利名稱：一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電催化劑及其制備方法，特別涉及一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是最具前景的燃料電池技術(shù)之一，然而由于目前氫氣的大規(guī)模制備和儲(chǔ)存安全問題等沒有解決，使得質(zhì)子交換膜燃料電池一直未能產(chǎn)業(yè)化。直接甲醇燃料電池可以避免氫氣的制備和儲(chǔ)存安全問題，但是甲醇不易電催化氧化、并且容易透過Nafion膜而使電池性能下降。最近研究表明用甲酸為燃料的直接甲酸燃料電池在一定程度上克服了上述這些缺點(diǎn)，而且甲酸幾乎沒有毒性。因此，直接甲酸燃料電池被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的燃料電池體系。
直接甲酸燃料電池的催化劑中，Pt和Pd是研究最多的陽(yáng)極催化劑，但是Pt作為甲酸電催化氧化的催化劑，容易因吸附CO而中毒，使得其催化活性大大降低。最近研究表明，Pd有較好的甲酸電催化氧化活性和抗CO中毒性能。同時(shí)研究表明，通常在催化劑中添加第二或第三種元素，可以進(jìn)一步提高Pd催化劑的性能，并且催化劑中添加Co助催化劑可明顯改善Pd的催化活性和抗CO中毒性能，從而使其作為直接甲酸燃料電池的陽(yáng)極催化劑具有聞的活性和穩(wěn)定性。在碳表面負(fù)載貴金屬納米粒子催化劑傳統(tǒng)的制備方法主要是基于浸潰-還原技術(shù)，但是這種方法難以控制負(fù)載在碳載體上鈀金屬顆粒的大小，而且貴金屬顆粒在碳載體上的分散也不是非常均勻，尤其是對(duì)于制備高負(fù)載量的Pt/c催化劑。最近，多元醇方法被證明是制備高分散金屬納米粒子的一種有效方法。在這種方法中，多元醇作為金屬鹽的溶劑和還原劑，在高溫下多元醇使溶液中的金屬離子還原成金屬納米粒子。微波加熱技術(shù)由于具有快速，均勻，節(jié)能和高效率的優(yōu)點(diǎn)，最近在有機(jī)化學(xué)合成和納米材料的合成中得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑及其制備方法。本發(fā)明的一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑是以鈀為活性組分，鈷為助催化劑，石墨烯為載體；催化劑中鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 40%，鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 30%，余量為載體。一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑的制備方法，主要包括以下步驟I)將氧化石墨納米片超聲分散在液體的乙二醇中，然后加入鈀鹽溶液、鈷鹽溶液和醋酸鈉溶液，充分混合均勻，混合物中氧化石墨納米片含量為O. 25 1. 2g/L，鈀鹽的濃度為O. 0005 O. 05mol/L,鈷鹽的濃度為O. 0001 O. 01mol/L,醋酸鈉的濃度為O. 05
O.lmol/L ；2)將上述混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，微波加熱反應(yīng)5 10分鐘后，經(jīng)過濾、洗滌、烘干，得到鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑。
本發(fā)明中，所述的鈀鹽為氯化鈀或醋酸鈀。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明采用多元醇法和微波技術(shù)，所合成的催化劑中鈀納米粒子具有細(xì)小和均勻的粒徑，平均粒徑可以調(diào)控在3. Onm左右，而且鈀納米粒子在石墨烯納米片上高度分散均勻；在催化劑制備中添加助催化劑氯化鈷，可明顯改善鉬選擇氧化CO的催化活性，降低了反應(yīng)溫度，同時(shí)也降低了貴金屬鉬的含量；制備方法具有快速，均勻，節(jié)能和效率高的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :將200mg氧化石墨納米片超聲處理分散在400mL的乙二醇中，然后加入20mLO. 04M的氯化鈀溶液、IOmL O.1M的氯化鈷溶液和20mL IM的醋酸鈉溶液，并充分?jǐn)嚢杌旌?均勻。將該均勻的混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，微波輻射加熱反應(yīng)lOmin。冷卻后，經(jīng)過濾、用丙酮和去離子水充分洗滌、90°C烘干，得到鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑。作為比較，按同樣的方法合成鈀/石墨烯催化劑(鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24. 6%)。對(duì)甲酸氧化電催化性能測(cè)試和比較將少量電催化劑(鈀-鈷/石墨烯、鈀/石墨烯納米電催化劑)與適量的5%的Nafion溶液和無(wú)水乙醇在超聲波作用下混合均勻，將該均勻的混合物涂在玻璃碳電極上，在80°C下烘干后作為測(cè)量用的工作電極。測(cè)量時(shí)參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，電解液為IM CH00H+1MHC104，鉬片為對(duì)電極。用循環(huán)伏安法評(píng)價(jià)納米電催化劑對(duì)甲酸電化學(xué)氧化的電催化活性，掃描速度為20mV/s。測(cè)得在上述制備的Pd-Co/石墨烯、Pd/石墨烯納米電催化劑上，甲酸電氧化的峰電流分別為18. 3mA和10. 7mA,表明Pd-Co/石墨烯電催化劑比Pd/石墨烯催化劑具有更高的對(duì)甲酸氧化的電催化活性。實(shí)施例2將600mg氧化石墨納米片超聲處理分散在500mL的乙二醇中，然后加入28mL O.1M的氯化鈀溶液、15mL O.1M的氯化鈷溶液和25mL IM的醋酸鈉溶液，并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。將該均勻的混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，微波輻射加熱反應(yīng)8min。冷卻后，經(jīng)過濾、用丙酮和去離子水充分洗滌、90°C烘干，得到鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑。作為比較，按同樣的方法合成鈀/石墨烯催化劑(鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)。按實(shí)施例1的方法測(cè)試比較Pd-Co/石墨烯和Pd/石墨烯催化劑對(duì)甲酸電氧化的催化性能。相同條件下測(cè)得在上述制備的Pd-C0/石墨烯和Pd/石墨烯催化劑上甲酸電氧化的峰電流分別為25. 6mA和15. 3mA,說明Pd-Co/石墨烯電催化劑比Pd/石墨烯催化劑具有更高的對(duì)甲酸氧化的電催化活性。實(shí)例3將400mg氧化石墨納米片超聲處理分散在600mL的乙二醇中，然后加入20mLO. 05M的氯化鈀溶液、20mL O.1M的氯化鈷溶液和30mL IM的醋酸鈉溶液，并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?。將該均勻的混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，微波輻射加熱反應(yīng)6min。冷卻后，經(jīng)過濾、用丙酮和去離子水充分洗滌、90°C烘干，得到鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑。作為比較，按同樣的方法合成鈀/石墨烯催化劑(鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%)。按實(shí)施例1的方法測(cè)試比較Pd/石墨烯和鈀/石墨烯催化劑對(duì)甲酸電氧化的催化性能。相同條件下測(cè)得在上述制備的Pd/石墨烯和鈀/石墨烯催化劑上甲酸電氧化的峰電流分別為9. 2mA和5. 3mA,說明Pd-Co/石墨烯電催化劑比Pd/石墨烯電催化劑具有更高的對(duì)甲酸氧化的電催化活性?！?br> 權(quán)利要求
1.一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑，包括活性組分鈀和載體石墨烯，其特征在于該催化劑以鈷為組催化劑；催化劑中鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 40%，鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 30%，余量為載體。
2.制備權(quán)利要求1所述的鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑的方法，其特征在于制備步驟如下 O將氧化石墨納米片超聲分散在乙二醇中，然后加入鈀鹽溶液、鈷鹽溶液和醋酸鈉溶液，充分混合均勻，混合物中氧化石墨納米片含量為O. 25 1. 2g/L，鈀鹽的濃度為O.0005 O. 05mol/L，鈷鹽的濃度為O. 0001 O. 01mol/L，醋酸鈉的濃度為O. 05 O.1mol/L ； 2)將上述混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，微波加熱反應(yīng)5 10分鐘后，經(jīng)過濾、洗滌、烘干，得到鈀/石墨烯納米電催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑的制備方法，其特征在于所述的鈀鹽為氯化鈀或醋酸鈀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑的制備方法，其特征在于所述的鈷鹽為氯化鈷、硝酸鈷、碳酸鈷或醋酸鈷。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑是以鈀為活性組分，鈷為助催化劑，石墨烯為載體。催化劑中鈀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～40%，鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～30%，余量為載體。催化劑的制備方法是先將氧化石墨納米片超聲分散在多元醇中，然后加入鈀鹽溶液、鈷鹽溶液和醋酸鈉溶液，充分混合均勻，然后將該混合物轉(zhuǎn)移到微波水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)后經(jīng)過濾、洗滌、烘干，得到鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑。本發(fā)明制備方法具有節(jié)能、快速和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所制得的鈀-鈷/石墨烯納米電催化劑中鈀和鈷納米粒子粒徑均勻。該催化劑對(duì)甲酸的電氧化具有高的電催化活性，在燃料電池中具有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B01J23/89GK103022521SQ20121051614
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者銀鳳翔, 李國(guó)儒, 陳標(biāo)華, 王亮 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)常州先進(jìn)材料研究院