一种制备铂/碳纳米催化剂的制备方法与流程

本发明涉及一种催化剂的制备方法，尤其是一种制备铂/碳纳米催化剂的制备方法，属于催化剂制备技术领域。

背景技术：

目前人类主要使用的传统化石能源，占据了全球消耗能源80%的比例，但是化石能源的不可再生性以及其使用过程中生成大量温室气体co2和污染物，对生态环境有着不利影响。燃料电池是一种不经过化学燃烧直接以电化学反应方式将化学能转变为电能的发电装置。其中，低温燃料电池如质子交换膜燃料电池(pemfc)因具有工作温度低、启动快、能量转化率高等优点，被视为用于野外电站、电动汽车、便携式电源的理想电源。在燃料电池中，催化剂是电池中的核心材料。低温燃料电池中多采用贵金属铂作为催化剂，即以碳载铂纳米颗粒作为阴阳极反应的催化剂，但是在pemfc工作条件下耐久性差，催化反应过程中，容易出现：（1）铂金属与载体结合不紧密，在导致铂的迁移脱落；（2）中毒失活，用的燃料氢气大部分由重整制氢获得，其中会包含一定量的co，co容易吸附于铂的表面，造成铂催化剂中毒。而贵金属铂价格昂贵资源稀缺，因此研制高活性的铂催化剂，降低铂的负载量得到新型高性能、低成本电催化剂对推动燃料电池的发展具有重要意义。

铂/碳纳米催化剂的制备方法通常分为化学方法和物理方法。不同制备方法与处理条件直接影响到催化剂的结构、性能，不同的方法制备出来的催化剂的粒径，形貌都不同。物理法是在金属源通过真空条件下的热蒸发、等离子溅射等制成纳米颗粒负载在炭黑载体上。而化学法是以金属离子或分子为前驱，配合物或高分子表面活性剂为保护剂形成胶体；或在载体孔道的限制下通过热分解或化学还原负载在载体上，得到负载型金属催化剂。常用的化学法有：浸渍法、胶体法、电化学沉积法、离子交换法、微乳液法等。

现有技术中铂/碳纳米催化剂的制备方法往往操作复杂，目标产物产率低，一种操作简单且产率高的铂/碳纳米催化剂的制备方法亟待提出。

技术实现要素：

为解决以上现有难题，本发明公开了一种制备铂/碳纳米催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）配制的铂前驱体溶液置于反应器中，室温下调节溶液ph值为4~9，同时配制硝酸钾溶液，逐滴加入铂前驱体溶液中，充分混合均匀，按照0.1mg/ml~2.5mg/ml与溶液的配比，添加适量的碳粉，在超声条件下混合15分钟，确保碳粉在溶液中均匀分散；

（2）将反应器置于水浴锅中，水浴温度为60~90℃，向步骤（1）得到的悬浮液中加入还原剂，水热反应1~3h，然后自然冷却至室温；

（3）将步骤（2）得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至滤液ph值为7，滤渣在70℃干燥4~12h，即得到铂/碳纳米催化剂粉体。

进一步的，所述步骤（1）所述氯铂酸钾溶液的浓度为6.5mg/ml～10.5mg/ml。

进一步的，所述步骤（1）所述无机盐溶液溶液为硝酸钾，硝酸钾的浓度为0.5mg/ml～5.5mg/ml。

进一步的，所述步骤（1）所述碳粉为市售的vc-72r导电炭黑，与溶剂的配比是0.1mg/ml~2.5mg/ml。

进一步的，所述步骤（1）调节ph值采用市售氢氧化钾（ar）。

进一步的，所述步骤（2）所述还原剂为甲酸，其浓度为5~10mol/l。

本发明的有益效果：

（1）本发明制备原料易得，制备工艺流程简单，在水溶液体系下就能完成反应，无需添加分散剂，反应完成之后通过抽滤，洗涤就可得到产物，无需离心和热处理，整个过程污染小，效率高。

（2）本发明采用水浴条件下制备催化剂，反应条件温和，该反应温度下容易得到粒径范围小的铂纳米颗粒，不容易出现团聚现象，添加了无机盐进入铂前驱体溶液溶液中，降低了铂的还原电势，使用甲酸可以得到小颗粒的铂纳米粒子，同时起辅助稳定的作用，而且极易清洗除去，不会对催化剂活性产生负面影响。

附图说明

图1为实施例1制备铂/碳纳米催化剂的x射线衍射图谱；

图2为实施例1制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图3为实施例1制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图4为实施例2制备铂/碳纳米催化剂的x射线衍射图谱

图5为实施例2制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图6实施例3制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图7为实施例3制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图8为实施例4制备铂/碳纳米催化剂透射电镜图；

图9为实施例4制备铂/碳纳米催化剂的线性扫描图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但是并不是对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种铂/碳纳米催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）配制氯铂酸钾铂溶液10ml，密度为8.5mg/ml，用氢氧化钾调节将其ph到7左右；

（2）配制硝酸钾溶液浓度1ml，密度为2mg/ml，逐滴加入到氯铂酸钾溶液中，充分搅拌混合，然后添加2mg的xc-72r导电炭黑，放置进超声波仪器中，超声30min，确保xc-72r导电炭黑在前驱体溶液中充分分散；

（3）配制10ml甲酸浓度为5mol/l作为还原剂，将反应容器放入水浴锅中，向步骤（2）得到的悬浮液中加入还原剂，在70℃水热反应1~3h，然后自然冷却至室温；

（4）将步骤（3）得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至滤液ph值为7，滤渣在70℃干燥4~12h，即得到铂/碳纳米催化剂粉体。

图1为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂粉体的xrd图，从图中可知产物为铂/碳纳米催化剂，图2和图3为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂的透射电镜图，从图中所制备出的铂纳米颗粒大小在4~5nm范围内，在碳粉上分散均匀。

实施例2

一种铂/碳纳米催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）配制氯铂酸钾铂溶液12ml，密度为6.5mg/ml，用氢氧化钾调节将其ph到6左右；

（2）配制硝酸钾溶液浓度2ml，密度为2.5mg/ml，逐滴加入到氯铂酸钾溶液中，充分搅拌混合，然后添加1.4mg的xc-72r导电炭黑，放置进超声波仪器中，超声30min，确保xc-72r导电炭黑在前驱体溶液中充分分散；

（3）配制12ml甲酸浓度为6mol/l作为还原剂，将反应容器放入水浴锅中，向步骤（2）得到的悬浮液中加入还原剂，在60℃水热反应1~3h，然后自然冷却至室温；

（4）将步骤（3）得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至滤液ph值为7，滤渣在70℃干燥4~12h，即得到铂/碳纳米催化剂粉体。

图4为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂粉体的xrd图，从图中可知产物为铂/碳纳米催化剂，图5为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂的透射电镜图，从图中所制备出的铂纳米颗粒大小在4~5nm范围内，在碳粉上分散均匀。

实施例3

一种铂/碳纳米催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）配制氯铂酸钾铂溶液15ml，密度为7mg/ml，用氢氧化钾调节将其ph到8左右；

（2）配制硝酸钾溶液浓度3ml，密度为3.5mg/ml，逐滴加入到氯铂酸钾溶液中，充分搅拌混合，然后添加9mg的xc-72r导电炭黑，放置进超声波仪器中，超声30min，确保xc-72r导电炭黑在前驱体溶液中充分分散；

（3）配制15ml甲酸浓度为5mol/l作为还原剂，将反应容器放入水浴锅中，向步骤（2）得到的悬浮液中加入还原剂，在65℃水热反应1~3h，然后自然冷却至室温；

（4）将步骤（3）得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至滤液ph值为7，滤渣在70℃干燥4~12h，即得到铂/碳纳米催化剂粉体。

图6和图7为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂的透射电镜图，从图中所制备出的铂纳米颗粒大小在4~5nm范围内，在碳粉上分散均匀。

实施例4

本实例一种铂/碳纳米催化剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）配制氯铂酸钾铂溶液8ml，密度为6mg/ml，用氢氧化钾调节将其ph到5左右；

（2）配制硝酸钾溶液浓度1ml，密度为0.5mg/ml，逐滴加入到氯铂酸钾溶液中，充分搅拌混合，然后添加0.8mg的xc-72r导电炭黑，放置进超声波仪器中，超声30min，确保xc-72r导电炭黑在前驱体溶液中充分分散；

（3）配制8ml甲酸浓度为6mol/l作为还原剂，将反应容器放入水浴锅中，向步骤（2）得到的悬浮液中加入还原剂，在80℃水热反应1~3h，然后自然冷却至室温；

（4）将步骤（3）得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至滤液ph值为7，滤渣在70℃干燥4~12h，即得到铂/碳纳米催化剂粉体。

图8为本实施例制备得到的铂/碳纳米催化剂的透射电镜图，从图中所制备出的铂纳米颗粒大小在4~5nm范围内，在碳粉上分散均匀。图9是测试催化剂氧还原活性的线性电位扫描图，与含铂量20%的商业铂电极进行对比，其催化性能优于商业铂电极。上述具体实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围中。