專利名稱：一種以納米氧化物為載體的H₂O₂基燃料電池陰極催化劑及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及，尤其涉及的是一種以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑及制備方法。
背景技術：
金屬-H2O2半燃料電池(MSFC)是近年來開發(fā)的一種新型水下化學電源，具有能量密度高、放電電壓穩(wěn)定、存儲壽命長、使用安全、無生態(tài)污染以及機械充電時間短等突出優(yōu)點。由于陰極氧化劑H2O2克服了攜帶O2產生的大量不便，金屬-H2O2半燃料電池已被廣泛研究作為水下無人運載器、水下導航、通訊和數(shù)據(jù)采集等電子儀器以及油氣開采設備的電源。催化劑的活性及電極結構嚴重影響著電池放電性能和運行條件。目前，貴金屬Pd基催化劑是催化H2O2電還原反應活性最高的一種催化劑。為降低Pd的使用量，增加利用率，通常人們使用碳黑作為催化劑載體，這是因為碳黑具有較高的比表面積且具有良好的導電性和較佳的孔結構，有利于提高貴金屬Pd微粒的分散性。但由于大量的Pd微粒進入到碳表面的微孔中，不能與電解質相接觸，因此難以形成更多的反應區(qū)，故而降低了貴金屬Pd的利用率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述H2O2基燃料電池陰極催化劑生產及使用過程中所存在的技術問題，提供一種新的H2O2基燃料電池陰極催化劑及其制備方法。一種以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑的制備方法，包括以下步驟(I)將貴金屬鈀的鹽加入到水中，使其溶解，形成溶液A ;貴金屬鈀鹽的加入量與水的用量關系0. 01 0. 05mol鈀離子所需的水為IOOOmL ；(2)向步驟⑴所配制的溶液A中加入堿性溶液，形成溶液B ;其中堿溶液為氫氧化鈉水溶液，其氫氧化鈉的加入摩爾量與溶液A中貴金屬鈀的摩爾量的比值為50 I 150 I。(3)向步驟(2)所配制的溶液B中加入納米金屬氧化物，充分混合至均勻，形成懸濁液C。所用氧化物為銅、鐵、鎳、錫、銻氧化物中的一種或幾種的復合物。其加入量按照以下方法控制貴金屬鈀元素的質量與納米氧化物質量的比值為5% 30%。(4)向步驟(3)所配制的懸濁液C中加入還原劑溶液，形成懸濁液D，其中加入的還原劑溶液與懸濁液C的質量比為5 I 10 I ;其中還原劑為硼氫化鈉水溶液,硼氫化鈉的物質的量與水的體積之比為I : 10 I : 100。(5)將步驟⑷所得的懸濁液D過濾，真空40_80°C干燥，干燥時間為4_15h，既得本發(fā)明所述H2O2基燃料電池陰極催化劑。本發(fā)明的一種以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑，該催化劑的載體為過渡金屬氧化物中的一種或幾種的復合物，活性物質為貴金屬鈀，具有催化活性高，原材料來源豐富，成本較低，工藝過程簡單，易于控制等特點。本發(fā)明采用具有導電性的氧化物作為催化劑載體，與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)
占-
I)氧化物粒子表面微孔少，貴金屬Pd微粒可以錨定在載體表面，從而提高貴金屬催化劑的利用率；2)納米氧化物本身對H2O2電還原反應就具有催化活性，形成了雙催化效果；3)過渡金屬氧化物材料來源豐富，成本較低，且該制備工藝簡單，利于生產。


圖I實例I提供的催化劑的XRD圖。圖2實例I提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。 圖3實例2提供的催化劑的XRD圖。圖4實例2提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。圖5實例3提供的催化劑的XRD圖。圖6實例3提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。實施例I取500mg Fe3O4 粉末，粒徑 30nm 80nm，加入 25mL ImoI/L 鹽酸溶液，在 50 70°C超聲處理I小時，得到較為純凈的Fe3O4粉末；將6. 3mL0. 0225mol/L PdCl2和3. 7ml H2O溶液混合，并向溶液中直接加入15mL Imol/LNaOH,然后加入60mg處理過的Fe3O4粉末攪拌20min，滴加15mL 0. 0484mol/L NaBH4溶液，攪拌lh。過濾洗滌，60°C真空干燥12h，即得本發(fā)明所述PcVFe3O4催化劑。圖I為實例I提供的催化劑的XRD圖，通過謝樂公式計算比較，可知以Fe3O4為載體的Pd粒子更小。表面催化劑層的玻碳電極的制備取5mg本實例所合成的催化劑，與2mL二次蒸餾水混合，超聲30min。取超聲分散的懸池液15ii L滴在直徑5_的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。催化劑的循環(huán)伏安曲線的測定采用三電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，高純碳棒為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在0. lmol/L硫酸和0. 5mol/L過氧化氫的混合溶液中，室溫條件下測定線性極化曲線。圖2為實施例I提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。從圖中可看出，所合成的催化劑較以碳為載體的催化劑具有較強的電化學活性。實施例2取500mg ATO粉末，粒徑IOnm 50nm，加入25mL lmol/L鹽酸溶液，在50 70°C超聲處理I小時，得到較為純凈的ATO粉末；將6. 3mL 0. 0225mol/L PdCl2+3. 7mlH20溶液混合，并向溶液中直接加入15mL Imol/LNaOH，然后加入60mg處理過的Fe3O4粉末攪拌20min，滴加15mL0. 0484mol/L NaBH4溶液，攪拌lh。過濾洗滌，60°C真空干燥12h，即得本發(fā)明所述Pd/ATO催化劑。圖3為實施例2提供的催化劑的XRD圖，通過謝樂公式計算比較，可知以ATO為載體的Pd粒子更小。表面催化劑層的玻碳電極的制備取5mg本實例所合成的催化劑，與2mL二次水混合，超聲30min。取超聲分散的懸池液15ii L滴在直徑5mm的玻碳電極表面,室溫下自然干燥。催化劑的循環(huán)伏安曲線的測定采用三電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，高純碳棒為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L氫氧化鈉和0. 5mol/L過氧化氫的混合溶液中，室溫條件下測定線性極化曲線。圖4為實施例2提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。從圖中可看出，所合成的催化劑較以碳為載體的催化劑具有較強的電化學活性。實施例3取500mg Cu2O粉末，粒徑30nm 80nm，加入25mL lmol/L鹽酸溶液，在50 70°C超聲處理I小時，得到較為純凈的Cu2O粉末；將6. 3mL0. 0225mol/L PdCl2+3. 7mlH20溶液混合，并向溶液中直接加入15mL lmol/L NaOH，然后加入60mg處理過的Fe3O4粉末攪拌20min，滴加15mL0. 0484mol/L NaBH4溶液，攪拌lh。過濾洗滌，60°C真空干燥12h，即得本發(fā)明所述Pd/Cu20催化劑。圖5為實施例3提供的催化劑的XRD圖，通過謝樂公式計算比較，可知以Cu2O為載體的Pd粒子更小。表面催化劑層的玻碳電極的制備取5mg本實例所合成的催化劑，與2mL二次水混合，超聲30min。取超聲分散的懸池液15ii L滴在直徑5mm的玻碳電極表面,室溫下自然干燥。催化劑的循環(huán)伏安曲線的測定采用三電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，高純碳棒為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在0. lmol/L硫酸和0. 5mol/L過氧化氫的混合溶液中，室溫條件下測定線性極化曲線。圖6為實施例3提供的催化劑的循環(huán)伏安曲線。從圖中可看出，所合成的催化劑較以碳為載體的催化劑具有較強的電化學活性。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)將貴金屬鈀的鹽加入到水中，使其溶解，形成溶液A;貴金屬鈀鹽的加入量與水的用量關系0. 01 0. 05mol鈀離子所需的水為IOOOmL ； (2)向步驟⑴所配制的溶液A中加入堿性溶液,形成溶液B;其中堿溶液為氫氧化鈉水溶液，其氫氧化鈉的摩爾量與溶液A中貴金屬鈀的摩爾量的比值為50 I 150 : I ； (3)向步驟(2)所配制的溶液B中加入納米金屬氧化物，充分混合至均勻，形成懸濁液C ;所用氧化物為銅、鐵、鎳、錫、銻氧化物中的一種或幾種的復合物；其加入量按照以下方法控制貴金屬鈀元素的質量與納米氧化物質量的比值為5% 30% ； (4)向步驟(3)所配制的懸濁液C中加入還原劑溶液，形成懸濁液D，其中加入的還原劑溶液與懸濁液C的質量比為5 I 10 I ;其中還原劑為硼氫化鈉水溶液,硼氫化鈉的物質的量與水的體積之比為I : 10 I : 100; (5)將步驟(4)所得的懸濁液D過濾，真空40-80°C干燥，干燥時間為4-15h，既得本發(fā)明所述H2O2基燃料電池陰極催化劑。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法制備的H2O2基燃料電池陰極催化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑及其制備方法，以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑，該催化劑的載體為銅、鐵、鎳、錫、銻氧化物中的一種或幾種的復合物，活性物質為貴金屬鈀。其制備方法為溶解鈀的氯化物鹽，加入納米氧化物載體，充分分散后加入還原劑，真空干燥后形成本發(fā)明的以納米氧化物為載體的H2O2基燃料電池陰極催化劑。與傳統(tǒng)的碳載體相比，納米氧化物具有較少的孔結構，利于貴金屬活性點錨定在載體表面；同時氧化物本身對H2O2電還原也具有催化活性，起到了雙催化效果。該催化劑具有催化活性高，材料來源豐富，成本較低，制備工藝簡單等特點。
文檔編號B82Y30/00GK102751511SQ20121025382
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權日2012年7月23日
發(fā)明者劉宗瑞, 孫麗美, 陳慶標 申請人:內蒙古民族大學