本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池用炭載納米鈀催化劑的制備方法，屬于燃料電池材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和電催化劑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置。其具有環(huán)境污染小，噪聲低等特點(diǎn)，并被譽(yù)為21世紀(jì)首選的清潔、高效的發(fā)電技術(shù)。這種直接將化學(xué)能連續(xù)轉(zhuǎn)化為電能的高效潔凈發(fā)電系統(tǒng)自問世以來就受到了廣泛的關(guān)注。因?yàn)榧状既剂暇哂懈叩哪芰棵芏?，高的能量效率和便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)，直接甲醇燃料電池在便攜式電源裝置和電動(dòng)車中具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。

直接甲醇燃料電池的陽極反應(yīng)是甲醇電化學(xué)氧化反應(yīng)。該反應(yīng)是一個(gè)涉及到六個(gè)電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜反應(yīng)。目前，對(duì)甲醇電化學(xué)氧化具有最好催化活性的Pt催化劑仍然是人們的主要研究對(duì)象之一。但是，Pt催化劑在催化甲醇發(fā)生電化學(xué)氧化的過程中生成的類CO中間產(chǎn)物在Pt表面的強(qiáng)烈吸附導(dǎo)致其催化活性逐漸減弱。為了克服這一障礙，研究工作者根據(jù)雙功能機(jī)理和電子效應(yīng)機(jī)理制備了多種具有良好抗中毒性能的多金屬?gòu)?fù)合電催化劑，如：PtRu/C、PtSn/C、PtSnCo/C、PtMoSi/C和PtRuEu/C等。

雖然Pt基復(fù)合催化劑具有比純Pt催化劑良好的抗甲醇中毒性能，但是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，隨著復(fù)合催化劑中其它復(fù)合組元的流失，其抗甲醇中毒性能將有所下降。而且，受到傳統(tǒng)Pt催化劑價(jià)格昂貴且資源匱乏的制約，直接甲醇燃料電池很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用?？紤]到Pd催化劑在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用且Pd在元素周期表中與Pt同族，Pd催化劑對(duì)甲醇等小分子醇電化學(xué)氧化的研究引起了越來越廣泛的關(guān)注。Hong Wang等以陽極氧化鋁為模板采用電沉積法制備了納米銀陣列，并研究了其對(duì)乙醇[Hong Wang，Changwei Xu，F(xiàn)aliang Cheng，Sanping Jiang.Pd nanowire arrays as electrocatalysts for ethanol electrooxidation.Electrochemistry Communications，9(2007)1212-1216]、甲醇和異丙醇[Faliang Cheng，Hong Wang，Zhihong Sun，Manxia Ning，Zhiquan Cai，Min Zhang.Electrodeposited fabrication of highly ordered Pd nanowire arrays for alcohol electrooxidation.Electrochemistry Communications 10(2008)798-801]的電化學(xué)活性。研究結(jié)果顯示在堿性溶液中Pd催化劑對(duì)小分子醇的電化學(xué)氧化具有較好的催化活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種直接甲醇燃料電池用炭載納米鈀催化劑的制備方法，該方法具有制備工藝簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性高的特點(diǎn)，對(duì)其它納米催化劑的合成有一定的借鑒意義。

本發(fā)明提供的直接甲醇燃料電池用炭載納米鈀催化劑的制備方法的具體步驟如下：

(1)在三口燒瓶中分別加入80mg Vulcan XC-72R活性炭、1.252g聚乙烯吡咯烷酮、2ml0.0564M PdCl₂水溶液和200ml蒸餾水，然后通過30min的超聲分散使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解并將活性炭均勻分散在混合溶液中；

(2)在不斷攪拌的條件下，加入2.4～3.6ml 1M氨水；

(3)繼續(xù)攪拌10分鐘后，向三口燒瓶中快速加入20ml由128～213mg NaBH₄配制的溶液；

(4)連續(xù)攪拌24h后停止攪拌，并靜置24h；

(5)過濾、充分洗滌，并用真空干燥箱在80℃下干燥6h后，即得到炭載納米鈀催化劑。

本發(fā)明制備的炭載納米鈀催化劑的形貌表征在JEM 2100F透射電鏡(TEM，JEOL)上實(shí)現(xiàn)。25℃下，在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中，通過CHI 760E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，采用循環(huán)伏安法(CV)評(píng)價(jià)了所制備的炭載納米鈀催化劑電化學(xué)氧化甲醇的活性。

附圖說明

圖1是實(shí)施方案一制備的催化劑的TEM圖片。

圖2是實(shí)施方案一制備的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。

圖3是實(shí)施方案二制備的催化劑的TEM圖片。

圖4是實(shí)施方案二制備的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。

圖5是實(shí)施方案三制備的催化劑的TEM圖片。

圖6是實(shí)施方案三制備的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。

圖7是實(shí)施方案四制備的催化劑的TEM圖片。

圖8是實(shí)施方案四制備的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。

圖9是實(shí)施方案五制備的催化劑的TEM圖片。

圖10是實(shí)施方案五制備的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的實(shí)施例如下：

實(shí)施方案一：制備過程第2步中，加入2.4ml氨水；制備過程第3步中，NaBH₄的用量為170mg；其它制備條件不變。所得到的催化劑的TEM圖片如圖1所示。圖1顯示，鈀納米粒子成功的負(fù)載在活性炭載體的表面上。圖2是所得到的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。CV曲線的電流密度用催化劑的質(zhì)量進(jìn)行歸一化。從圖2可以看出，甲醇在催化劑表面電化學(xué)氧化的電流密度的峰值電極電位為-0.15V。在此電位下，甲醇電化 學(xué)氧化的電流密度為11.3mA·mg^-1催化劑。

實(shí)施方案二：制備過程第2步中，加入3ml氨水；制備過程第3步中，NaBH₄的用量為170mg；其它制備條件不變。所得到的催化劑的TEM圖片如圖3所示。圖3顯示，鈀納米粒子成功的負(fù)載在活性炭載體的表面上。圖4是所得到的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。CV曲線的電流密度用催化劑的質(zhì)量進(jìn)行歸一化。從圖4可以看出，甲醇在催化劑表面電化學(xué)氧化的電流密度的峰值電極電位為-0.15V。在此電位下，甲醇電化學(xué)氧化的電流密度為16.6mA·mg^-1催化劑。

實(shí)施方案三：制備過程第2步中，加入3.6ml氨水；制備過程第3步中，NaBH₄的用量為170mg；其它制備條件不變。所得到的催化劑的TEM圖片如圖5所示。圖5顯示，鈀納米粒子成功的負(fù)載在活性炭載體的表面上。圖6是所得到的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。CV曲線的電流密度用催化劑的質(zhì)量進(jìn)行歸一化。從圖6可以看出，甲醇在催化劑表面電化學(xué)氧化的電流密度的峰值電極電位為-0.17V。在此電位下，甲醇電化學(xué)氧化的電流密度為6.9mA·mg^-1催化劑。

實(shí)施方案四：制備過程第2步中，加入3ml氨水；制備過程第3步中，NaBH₄的用量為128mg；其它制備條件不變。所得到的催化劑的TEM圖片如圖7所示。圖7顯示，鈀納米粒子成功的負(fù)載在活性炭載體的表面上。圖8是所得到的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。CV曲線的電流密度用催化劑的質(zhì)量進(jìn)行歸一化。從圖8可以看出，甲醇在催化劑表面電化學(xué)氧化的電流密度的峰值電極電位為-0.15V。在此電位下，甲醇電化學(xué)氧化的電流密度為7.1mA·mg^-1催化劑。

實(shí)施方案五：制備過程第2步中，加入3ml氨水；制備過程第3步中，NaBH₄的用量為213mg；其它制備條件不變。所得到的催化劑的TEM圖片如圖9所示。圖9顯示，鈀納米粒子成功的負(fù)載在活性炭載體的表面上。圖10是所得到的催化劑在0.1M KOH+1M CH₃OH混合溶液中的CV曲線。CV曲線的電流密度用催化劑的質(zhì)量進(jìn)行歸一化。從圖10可以看出，甲醇在催化劑表面電化學(xué)氧化的電流密度的峰值電極電位為-0.15V。在此電位下，甲醇電化學(xué)氧化的電流密度為9.8mA·mg^-1催化劑。