一种高效超薄金属层催化剂及其用图
【技术领域】
[0001]本发明属于催化剂技术领域，涉及一种催化剂及其用途，尤其是用于催化分解水和燃料电池的催化剂，以实现氢的产生和燃料电池催化的超薄金属层催化剂。
【背景技术】
[0002]石墨烯作为一种具有二维单原子层结构的新兴材料，它的热导系数和载流子迀移率等都有相对较高的显著性能，并且其具有极低的电阻率，广泛应用于微电子领域。铂族金属是在电化学和催化领域具有重要的应用价值的金属材料，被广泛应用于湿化学反应中，尤其在催化分解水制氢和燃料电池方面具有很大的潜力。然而其价格昂贵和地壳含量丰度低的问题一直阻碍着催化研宄快速的发展。因此，超薄金属层催化剂的制备显得尤为重要。
[0003]目前人类面临的巨大考验就是能源环境问题，人们现在所依赖的能源大多数是不可再生且对环境会造成巨大污染的化石燃料，为了实行可持续发展的道路，低成本制备可再生清洁能源迫在眉睫。氢气因其具有燃烧产物无污染；燃烧热大；来源广泛，可再生等优点，使其作为一种必不可少的替代能源，因此制备氢能成为解决能源问题的关键性步骤。而目前燃料电池所需要的催化剂为贵金属，由于其价格昂贵，而目前燃料电池催化剂所需贵金属的用量大，但是纯金属的催化剂容易被CO毒化，从而降低其燃料电池的电池寿命，目前现有的催化剂普遍具有催化效率低，价格昂贵和不可重复利用的缺点，而使其不能投入实际应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高效超薄金属层催化剂及其用途，本发明将贵金属承载于碳基材上的催化剂性能比较优异。并且制备方法快速简便，并可显著减低生产成本和环境污染，可有效用于分解水制氢和燃料电池方面。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]这种超薄金属层催化剂，包含载体、缓冲层、负载于缓冲层上的活性金属；所述活性金属层包括主活性组分金属和助活性组分金属；所述活性金属是均匀覆盖在载体上的超薄金属层；所述主活性组分金属层是金属铂、金、钯的任意一种；所述助活性组分金属层为金、银、鍊、铱中的一种；所述缓冲层为铜、铝、镍中的一种；所述的载体为多孔导电材料。
[0007]进一步，上述多孔导电材料具体为:金属，合金及其氧化物纤维多孔导电材料(Cu，Al等)和非金属多孔导电材料(娃材料，碳材料等)。
[0008]进一步，上述超薄金属层厚度为0.3?lOOnm。
[0009]进一步，上述的超薄金属层主活性组分金属层最好是1-2原子层。
[0010]上述缓冲层采用电沉积或化学置换的方法在载体表面形成。
[0011]进一步，所述缓冲层与载体晶格相匹配。
[0012]上述超薄金属层的助活性组分金属薄膜是通过定量置换或电化学沉积的方法得到。
[0013]进一步，超薄金属层与缓冲层的晶格相匹配。
[0014]本发明还提出上述超薄金属层催化剂作为催化水分解制氢的催化剂的用途。
[0015]本发明还提出一种上述超薄金属层催化剂用于燃料电池对有机分子氧化的催化剂的用途，其中所述有机分子包括醇类、不饱和烯烃、炔烃、杂环或者芳香烃及其衍生物。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]本发明采用在轴向强度和模量高，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好的碳纤维上利用沉积缓冲层的方法在其上制备超薄金属层催化剂，将贵金属承载于碳基材上的催化剂性能比较优异。并且制备方法快速简便，并可显著减低生产成本和环境污染，可有效用于分解水制氢和燃料电池方面。
[0018]本发明的超薄金属层催化剂的负载量是最小化的，大大降低了原料成本，并且制备方法简单快捷，制备的催化剂催化性能高，超电势低，有望广泛应用于现在工业生产中。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1中催化剂结构图；其中从上而下为:超薄金属层(主活性催化剂和助活性催化剂)/缓冲层/载体；
[0020]图2为本发明实施例1中碳纤维纸为载体的结构的扫描电子显微镜图；
[0021]图3为实施例1中样品结构的X射线光电子能谱图；
[0022]图4为实施例1中样品稳定性测试图；
[0023]图5为实施例1中所制的各催化剂与铂电极催化活性性能比较图。
【具体实施方式】
[0024]11.本发明首先提出一种超薄金属层催化剂，其包含载体、缓冲层、负载于缓冲层上的活性金属；所述活性金属层包括主活性组分金属和助活性组分金属；所述活性金属是均匀覆盖在载体上的超薄金属层；所述主活性组分金属层是金属铂、金、钯的任意一种；所述助活性组分金属层为金、银、鍊、铱中的一种；所述缓冲层为铜、铝、镍中的一种；所述的载体为多孔导电材料，该多孔导电材料具体为:金属，合金及其氧化物纤维多孔导电材料(Cu，Al等)和非金属多孔导电材料(娃材料，碳材料等)。
[0025]超薄金属层主活性金属采用单原子层电沉积或定量置换的方法在助活性金属表面形成。该金属层的助活性组分是通过定量置换或电化学沉积的方法得到。缓冲层采用电沉积或化学置换的方法在载体表面形成。
[0026]本发明所述缓冲层与载体晶格相匹配。超薄金属层与缓冲层的晶格相匹配。
[0027]本发明金薄膜是载体在含金的相对浓度为0.1?lOOmmol/L的溶液中置换出来的。其中含金的溶液为金属盐。金属金薄膜上超薄金属层主活性金属的形成采用的是单原子层电沉积的方法。除金之外的助活性金属层采用的是电化学沉积的方法。活动性强的金属铜、镍等薄膜上超薄金属层的形成采用的是定量置换的方法。
[0028]本发明的催化剂活性成分是超薄金属层，其厚度为0.3?lOOnm，最好的是超薄金属层是1-2个原子层；助活性组分为金属薄膜为金、银、鍊、铱中的一种，其含量为载体总重的 0.05wt % ?0.5wt %。
[0029]本发明的催化剂载体优选稳定性好且具有一定比表面积的三维结构载体。
[0030]本发明的基本组成:超薄金属层/缓冲层/载体。具有一定比表面积的复杂结构纤维，这样可以提高析氢反应的动力学。合成金属薄膜的方法是采用置换的方法得到金的纳米薄膜，而铜、银等金属的纳米薄膜是通过电化学沉积的方法，接下来通过简单快速的原子层电沉积的方法在金、银纳米薄膜上得到超薄金属层，而铜等其他较活泼的金属上超薄金属层的形成采用的是定量置换法。
[0031]另外，本发明还提出了上述超薄金属层催化剂的两种用途:
[0032](I)上述超薄金属层催化剂作为催化水分解制氢的催化剂的用涂鸦。
[0033](2)上述超薄金属层催化剂用于燃料电池对有机分子氧化的催化剂，其中有机分子包括醇类、不饱和烯烃、炔烃、杂环或者芳香烃及其衍生物。
[0034]为了进一步理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但本发明并不局限于这些实施例。
[0035]实施例1
[0036]Pt/Au/Ni/Carbon fibers 的制备
[0037]配置混合溶液中含有250g/L NiSOjP 40g/L NiCl 2以及适量的缓冲剂H 3B03和表面活性剂C12H25NaS, C7H5NO3S和C4H6O2，在硝酸中煮沸活化超声洗涤碳纤维载体；
[0038]常温下，配置上述的混合溶液100ml，把洗涤活化后的碳纤维放入到反应液中，电化学沉积不同的时间，得到不同厚度的缓冲层镍薄膜，然后取出洗涤，在惰性气氛中吹干；
[0039]配置0.5mol/L NaCl和3mmol/L以11(:14的混合溶液，每次取出