一种低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂及制备方法

摘要

本发明公开了一种低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂及制备方法。Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂其纳米晶均匀分散在石墨烯表面，且纳米晶形貌为四面体、八面体及十二面体，尺寸为5～30nm，且在电催化剂Pt含量低于Pt/C时，表现出接近于Pt/C的催化活性和显著优于Pt/C的抗甲醇毒化性能。其制备方法是将钯前驱体溶解与还原性溶剂混合后加入氨水搅拌得到络合溶液A；将铂前驱体溶于还原性溶剂与溶液A混合，加入氨水得到溶液B；将处理的氧化石墨烯与溶液B混合后移入水热反应釜中，将水热反应釜放入烘箱中反应，自然冷却后在剧烈搅拌下加入还原剂收集固体物质干燥得到产品。整个过程无模板剂、无需去除模板后处理，而且工艺简便、易于操控。

说明书

技术领域 本发明涉及一种低温燃料电池电催化剂及制备方法。

背景技术 低温燃料电池(包括质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池) 是一种将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的能量转换装置。低 温燃料电池的核心部件主要由三部分组成：阳极、质子交换膜、阴极。催化阴 极氧还原反应的催化剂种类繁多：Pt基催化剂包括Pt/C催化剂、Pt-M/C合金催 化剂、Pt-MOx/C催化剂；非Pt催化剂包括：贵金属Pd基催化剂、过渡金属大 环化合物催化剂、过渡金属硫族化合物催化剂、过渡金属碳化物和氮化物等。

目前，广泛采用的Pd-Pt多面体纳米晶的制备方法中需采用表面活性剂或有 机高分子为模板剂控制纳米晶的形貌和尺寸，这些模板剂具有很强的吸附作用， 在催化剂中残留不易除去，占据电催化剂的活性位而使电催化剂的催化活性降 低，在电催化应用中受到极大的限制。去除这些表面吸附的模板剂需要一系列 复杂的后处理过程，使催化剂的制备成本显著提高，有些热处理过程还会造成 催化剂结构破坏及颗粒增大而使其活性降低。

发明内容 本发明的目的在于提供一种工艺简便、易于操控且无模板剂、无 需去除模板后处理过程的低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂及制备方 法。本发明主要是将铂前驱体、钯前驱体与还原剂混合并添加氨水，使其与 Hummers法制取的氧化石墨烯悬浊液混合后搅拌、超声分散，再移入水热反应 釜中置于烘箱中反应后自然冷却，向反应物中加入还原剂搅拌后过滤洗涤得到 Pd-Pt多面体纳米晶。

本发明的低温燃料电池Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形 貌为四面体、八面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为 5～30nm，暴露的均是高活性的(111)晶面，规整的结构可极大提高电催化剂 的稳定性。

本发明的低温燃料电池用石墨烯负载的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂的制 备步骤如下：

一、原料

1、钯前驱体：包括H₂PdCl₄、K₂PdCl₄、Na₂PdCl₄中的一种或几种；

2、铂前驱体：包括H₂PtCl₆，K₂PtCl₆、Na₂PtCl₆、PtCl₄、H₂PtCl₄、K₂PtCl₄、Na₂PtCl₄中的一种或几种；

3、还原性溶剂：包括乙二醇、丙三醇、1mol/L葡萄糖水溶液、1mol/L抗坏血酸 水溶液的一种或几种；

4、还原剂：包括硼氢化钠、水合肼、亚硫酸钠、氢化铝锂中的一种或几种；

5、制备氧化石墨烯原料：高锰酸钾固体、NaNO₃、浓盐酸、浓硫酸、双氧水、 石墨粉。

二、制备步骤

(1)取含钯元素质量10g/L的钯前驱体水溶液2～100mL及适量还原用溶剂， 按照钯前驱体溶液与还原性溶剂体积比为1：10的比例均匀混合，在磁力搅拌 器中速搅拌条件(100～300转/分钟)加入25wt.％的浓氨水，使溶液由浅黄色 变为无色，得到溶液A；

(2)将铂前驱体溶解在与步骤一相同的还原性溶剂得到浓度为含铂元素质量 10g/L的铂前驱体溶液，按照Pd：Pt摩尔比为9：1～1：1，在磁力搅拌器中速 搅拌条件(100～300转/分钟)下将铂前驱体溶液加入A溶液并搅拌均匀，并 且补加25wt.％的浓氨水，使溶液pH大于10后停止搅拌，得到溶液B；

(3)通过Hummers法制取氧化石墨烯(GO)，制备过程是：将100g石墨粉和 50g硝酸钠在0℃冰水混合物中与2.3L浓硫酸混合，在剧烈搅拌下加入300g 高锰酸钾，将上述混合物保持在35℃左右30min，随着反应的进行反应液会变 稠，然后将4.6L去离子水缓慢加入反应体系，在98℃下保持15min，用3％ 的H₂O₂进一步稀释以除去未反应的高锰酸钾，在超声水浴中分散2h，过滤、洗 涤、冻干得到GO。再对得到的GO进行数次(重复1～4次)氧化处理，氧化 步骤是：将1g GO分散到1L水中，在磁力搅拌器中速搅拌条件(100～300转/ 分钟)下，加入5g高锰酸钾固体，反应2h后加入1ml的浓盐酸和1ml的H₂O₂， 反应3h，过滤、洗涤、冻干即可。将氧化后的GO后分散在还原性溶剂中，GO 浓度为1g/L，超声搅拌使其分散均匀，得到GO悬浊液，向B溶液中加入一定 量的GO悬浊液后，搅拌24～72h，超声分散2～12h；得到混合液C，其中钯元 素铂元素质量和与干态GO质量比为1：4～1：1。

(4)根据混合液C的体积，将混合液C移入体积为100ml～5L水热反应釜中， 将水热反应釜置于80～180℃的鼓风烘箱或真空烘箱中反应2～8h，反应后自然 冷却得到混合物D；

(5)在剧烈搅拌条件(300～600转/分钟)下向混合物D中加入还原剂，其中还 原剂与前述干态GO的质量比为1：1～3：1，搅拌0.5～5h，过滤或离心分离混 合物，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤4～6次，在真空烘箱中干燥即可。

本发明以具有丰富表面官能团的氧化石墨烯作为载体，通过NH₃的络 合作用和氧化石墨烯的支撑及“锚固”作用来阻止粒子的团聚，负载后经还原剂还 原得到导电性好的石墨烯载体，最终得到石墨担载的形貌规整、尺寸均一、分 布均匀的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明涉及的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂的制备方法工艺流程简便、 易于操控，且无需模板剂、无需复杂的去除模板的后处理过程。

2、本发明涉及的制备方法制得的石墨烯担载型Pd-Pt多面体纳米晶电催化 剂作为低温燃料电池电催化剂时，在Pt含量远低于商业化Pt/C的条件下，表现 出接近于Pt/C的氧还原反应催化活性和显著优于Pt/C的抗甲醇毒化性能。

附图说明

图1是本发明实施例1获得的电催化剂的X射线衍射谱图。

图2是本发明实施例1获得的电催化剂的透射电子显微镜图。

图3是本发明实施例2获得的电催化剂的透射电子显微镜图。

图4是本发明实施例5获得的电催化剂的透射电子显微镜图。

图5是本发明实施例2获得的电催化剂的高分辨透射电子显微镜图及FFT衍射 斑点图。

图6是本发明实施例6获得的电催化剂的高分辨透射电子显微镜图及FFT衍射 斑点图。

图7是本发明实施例1获得的电催化剂的高分辨透射电子显微镜图及FFT衍射 斑点图。

图8是本发明实施例3获得的电催化剂在0.5M H₂SO₄和0.5M H₂SO₄+0.5M  CH₃OH混合溶液中的氧还原反应极化曲线图。

图9是本发明商品化Pt/C在0.5M H₂SO₄和0.5M H₂SO₄+0.5M CH₃OH混合溶液 中的氧还原反应极化曲线图。

具体实施方式 下面通过具体实施例对本发明做详细说明，但并不局限于此。 实施例1：先将一定量氯化钯溶于浓盐酸后用去离子水定容，得到含钯元素10g/L 的H₂PdCl₄溶液，取这种H₂PdCl₄溶液2.4mL，加入到盛有24mL乙二醇的烧杯 中，在剧烈搅拌(300～600转/分钟)下加入2mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡 黄色变为无色，说明生成了[Pd(NH₃)₂]²⁺络合物，得到溶液A；再将H₂PtCl₆溶于 乙二醇中，得到含铂元素10g/L的H₂PtCl₆溶液，取0.4mL的H₂PtCl₆溶液在中 速搅拌(100～300转/分钟)下加入到溶液A中，并补加1mL 25wt.％的浓氨 水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers法制备得到的氧化石墨烯进行1 次氧化处理后分散在乙二醇溶剂中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分散均匀，得 到其悬浊液，再将含100mg氧化石墨烯的乙二醇悬浊液100mL加入到溶液B 中剧烈搅拌24h，超声2h；再转入到200mL的溶剂热反应釜中，将反应釜放 入150℃的鼓风烘箱中反应5小时；待反应后自然冷却，在剧烈搅拌下逐滴加 入0.1M的NaBH₄溶液20滴，搅拌半小时后离心分离收集固体物质，将得到 的固体用乙醇和水交替洗涤4次以除去杂离子，最后干燥固体得到Pd-Pt多面体 纳米晶电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌为四面 体、八面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为15nm左 右。从图7的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂的高分辨透射电子显微镜图可以看出， 制得的Pd-Pt多面体无论形貌是四面体、八面体和十二面体均暴露的是高活性的 (111)晶面，规整的结构可极大提高电催化剂的稳定性。从图1获得的电催化 剂X射线衍射谱图可以看出，第一个峰对应于石墨烯的衍射峰，其余各个峰对 应着Pd-Pt多面体纳米晶的各个晶面。

实施例2：先将一定量Na₂PdCl₄溶于去离子水定容，得到含钯元素10g/L的 Na₂PdCl₄溶液，取该溶液5mL，加入到盛有50mL乙二醇的烧杯中，在剧烈搅 拌下加入4mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明生成了 [Pd(NH₃)₂]²⁺络合物，得到溶液A；再将K₂PtCl₆溶于乙二醇中，得到含铂元素 10g/L的K₂PtCl₆溶液，在中速搅拌下将2.5mL的K₂PtCl₆溶液加入到溶液A中， 并补加1mL 25wt.％的浓氨水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers法制 备得到的氧化石墨烯进行3次氧化处理后分散在乙二醇溶剂中，浓度为1g/L， 超声搅拌使其分散均匀，得到其悬浊液，再将含氧化石墨烯的乙二醇悬浊液125 mL加入到溶液B中剧烈搅拌48h，超声12h；再转入到500mL的溶剂热反应釜 中，将反应釜放入150℃的鼓风烘箱中反应4小时；反应后自然冷却，在剧烈 搅拌下逐滴加入0.4M的NaBH₄溶液20滴，搅拌0.5h后离心分离收集固体物 质，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤5次除去杂离子，最终干燥固体得到Pd-Pt 多面体纳米晶电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌 为四面体、八面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为20nm 左右。从图5的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂的高分辨透射电子显微镜图可以看 出，制得的Pd-Pt多面体无论形貌是四面体、八面体和十二面体均暴露的是高活 性的(111)晶面，规整的结构可极大提高电催化剂的稳定性。

实施例3：将K₂PdCl₄溶于去离子水定容，得到含钯元素10g/L的K₂PdCl₄溶液， 取K₂PdCl₄溶液20mL，加入到盛有200mL丙三醇的烧杯中，在剧烈搅拌下加 入8mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明生成了[Pd(NH₃)₂]²⁺络 合物，得到溶液A；将Na₂PtCl₆溶于丙三醇中，得到含铂元素10g/L的Na₂PtCl₆溶液，在中速搅拌下将20mL的Na₂PtCl₆溶液加入到溶液A中，补加5mL 25 wt.％的浓氨水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers法制备得到的氧化石 墨烯进行2次氧化处理后分散在丙三醇溶剂中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分 散均匀，得到其悬浊液，再将含氧化石墨烯的丙三醇悬浊液400mL加入到溶液 B中剧烈搅拌48h，超声6h。转入到500mL的溶剂热反应釜中，将反应釜放 入180℃的鼓风烘箱中反应2小时；反应后自然冷却，在剧烈搅拌下逐滴加入 1.0M的NaBH₄溶液2mL，搅拌0.5h后离心分离收集固体物质，将得到的固体 用乙醇和水交替洗涤6次并除去杂离子，干燥固体最终得到Pd-Pt多面体纳米晶 电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌为四面体、八 面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为20nm左右。从 图5的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂的高分辨透射电子显微镜Pd-Pt多面体纳米 晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌为四面体、八面体和十二面体，颗粒尺寸 为25nm左右。

实施例4：将K₂PdCl₄溶于去离子水定容，得到含钯元素10g/L的K₂PdCl₄溶液， 取K₂PdCl₄溶液100mL，加入到盛有1L乙二醇的烧杯中，在剧烈搅拌下加入20 mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明生成了[Pd(NH₃)₂]²⁺络合物， 得到溶液A；再将K₂PtCl₄溶于乙二醇中，得到含铂元素10g/L的K₂PtCl₄溶液， 在中速搅拌下将20mL的K₂PtCl₄溶液加入到溶液A中，补加10mL 25wt.％的浓 氨水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers法制备得到的氧化石墨烯进行 4次氧化处理后分散在丙三醇溶剂中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分散均匀， 得到其悬浊液，将含氧化石墨烯的丙三醇悬浊液2.4L加入到溶液B中剧烈搅拌 48h，超声6h。转入到5L的溶剂热反应釜中，将反应釜放入150℃的鼓风烘箱 中反应3小时。反应后自然冷却，在剧烈搅拌下逐滴加入1.0M的NaBH₄溶液 20mL，搅拌0.5h后离心分离收集固体物质，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤 6次除去杂离子，干燥固体最终得到Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂。Pd-Pt多面 体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌为四面体、八面体和十二面体，且 形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为30nm左右。

实施例5：将Na₂PdCl₄溶于去离子水，得到每升溶液含10g钯的Na₂PdCl₄溶液， 取这种Na₂PdCl₄溶液9mL，加入到盛有90mL1mol/L葡萄糖水溶液的烧杯中， 在剧烈搅拌下加入4mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明生成 了[Pd(NH₃)₂]²⁺络合物，得到溶液A；将Na₂PtCl₄溶于1mol/L葡萄糖水溶液中， 得到每升含10g铂的Na₂PtCl₄溶液，在中速搅拌条件下，将1mL的Na₂PtCl₄溶液加入到溶液A中，补加2mL 25wt.％的浓氨水，使pH大于10，得到溶液 B；对Hummers法制备得到的氧化石墨烯进行3次氧化处理后分散在1mol/L葡 萄糖水溶液中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分散均匀，得到其悬浊液，然后将 含氧化石墨烯的悬浊液400mL加入到溶液B中剧烈搅拌48h，超声6h；再转入 到1L的溶剂热反应釜中，将反应釜放入80℃的鼓风烘箱中反应8小时；反应 后自然冷却，在剧烈搅拌下逐滴加入0.5M的NaBH₄溶液2mL，搅拌0.5h后离 心分离收集固体物质，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤6次除去杂离子，干 燥固体最终得到Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分 散在石墨烯表面，形貌为四面体、八面体和十二面体，且形状规整、基本无团 聚现象，颗粒尺寸为5nm左右。

实施例6：将Na₂PdCl₄溶于去离子水定容，得到含钯元素10g/L的Na₂PdCl₄溶 液，取Na₂PdCl₄溶液4mL，加入到盛有40mL浓度1mol/L抗坏血酸水溶液的烧 杯中，在剧烈搅拌下加入4mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明 生成了[Pd(NH₃)₂]²⁺络合物，得到溶液A；将PtCl₄溶于1mol/L抗坏血酸水溶液 中，得到含铂元素10g/L的PtCl₄溶液，在中速搅拌下将1mL的PtCl₄溶液加入 到溶液A中，补加2mL 25wt.％的浓氨水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers 法制备得到的氧化石墨烯进行2次氧化处理后分散在1mol/L抗坏血酸水溶液 中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分散均匀，得到其悬浊液，然后将含氧化石墨 烯的悬浊液200mL加入到溶液B中剧烈搅拌48h，超声6h；再转入到1L的溶 剂热反应釜中，将反应釜放入100℃的鼓风烘箱中反应4小时；反应后自然冷 却，在剧烈搅拌下逐滴加入0.5M的NaBH₄溶液2mL，搅拌0.5h后离心分离 收集固体物质，将得到的固体用乙醇和水交替洗涤6次除去杂离子，干燥固体 最终得到Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石 墨烯表面，形貌为四面体、八面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象， 颗粒尺寸为10nm左右。从图6获得的电催化剂X射线衍射谱图可以看出，第 一个峰对应于石墨烯的衍射峰，其余各个峰对应着Pd-Pt多面体纳米晶的各个晶 面。

实施例7：将Na₂PdCl₄溶于去离子水定容，得到含钯元素10g/L的Na₂PdCl₄溶 液，取Na₂PdCl₄溶液4mL，加入到盛有40mL乙二醇的烧杯中，在剧烈搅拌下 加入4mL 25wt.％的浓氨水，溶液由淡黄色变为无色，说明生成了[Pd(NH₃)₂]²⁺络合物，得到溶液A；将H₂PtCl₄溶于乙二醇中，得到含铂元素10g/L的H₂PtCl₄溶液，在中速搅拌条件下，将1mL的H₂PtCl₄溶液加入到溶液A中，补加2mL 25 wt.％的浓氨水，使pH大于10，得到溶液B；对Hummers法制备得到的氧化石 墨烯进行2次氧化处理后分散在乙二醇溶液中，浓度为1g/L，超声搅拌使其分 散均匀，得到其悬浊液，然后将含氧化石墨烯的乙二醇悬浊液150mL加入到溶 液B中剧烈搅拌48h，超声6h；再转入到1L的溶剂热反应釜中，将反应釜放入 100℃的鼓风烘箱中反应4小时；待反应后自然冷却，在剧烈搅拌下逐滴加入 0.5M的NaBH₄溶液2mL，搅拌半小时后离心分离收集固体物质，将得到的固 体用乙醇和水交替洗涤6次除去杂离子，干燥固体最终得到Pd-Pt多面体纳米晶 电催化剂。Pd-Pt多面体纳米晶颗粒均匀分散在石墨烯表面，形貌为四面体、八 面体和十二面体，且形状规整、基本无团聚现象，颗粒尺寸为10nm左右。

实施例8：以实施例3获得的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂和市购得商业化Pt/C 催化剂，其中同等质量下的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂与Pt/C催化剂中前者 Pt含量为后者的1/4，测试两者在0.5M H₂SO₄和0.5M H₂SO₄+0.5M CH₃OH混 合溶液中的氧还原反应极化曲线。测试方法如下：取5mg催化剂和50μL 5wt.％ 的Nafion溶液(购于美国杜邦公司)在2mL异丙醇中，利用超声水浴震 荡分散均匀制得混合液，取20μL制得的混合液滴在玻璃碳电极表面，干 燥后的玻璃碳电极作为工作电极，利用三电极体系测试两种催化剂的氧还 原反应极化曲线，其中对电极为1x 1cm2的铂片，参比电极为饱和甘汞电 极，电解液分别为0.5M H₂SO₄溶液和0.5M H₂SO₄+0.5M CH₃OH混合溶 液。(说明：三电极体系测试方法为领域内公知技术)从图8、图9对应图 中对比制得的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂和商业化Pt/C在0.5M H₂SO₄溶液中、 0.5M H₂SO₄+0.5M CH₃OH混合溶液中的氧还原极化曲线可以看出，本发明涉及 的Pd-Pt多面体纳米晶电催化剂在Pt含量远低于商业化Pt/C的条件下，表现出 接近Pt/C的氧还原反应催化活性和显著优于Pt/C的抗甲醇毒化性能。