专利名称：一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法
技术领域：
本发明涉及新能源电池电极催化剂制备方法领域，具体为一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法。
背景技术：
石油、天然气价格的逐步攀升，能源问题已经成为关系国计民生的重大问题。目
前，80%的能源消耗依靠化石燃料-煤和石油。然而，传统的能源消耗存在以下弊端我 国能源供需矛盾尖锐，结构不合理；传统的热机实现能量转换受到“卡诺循环”的限制，燃烧相对于能源利用效率很低；不可再生的一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成严重的环境污染。面对能源危机的严重挑战，寻找并开发新能源代替传统能源已经成为世界各国的共识。在未来的能源系统中，氢能将是21世纪替代汽油、柴油、城市煤气等的清洁能源。在氢能的利用上，科学家们找到了一种清洁、高效、安全、可移动、操作条件温和、且无污染的利用氢能发电的装置一低温燃料电池。这种装置的最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60% 80%，实际使用效率则是普通内燃机的2 3倍。然而低温燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以贵金属钼为主，制备成本很高成为限制其商业化的最主要的问题。因此，开发新型催化剂制备技术、制备高活性、低钼载量催化剂，对于降低燃料电池成本意义重大。
发明内容
本发明目的是提供一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，以解决现有技术低温燃烧电池电极催化剂制备成本高的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用500mL三颈瓶、气源、机械泵、带匹配器的射频电源，通过气源向三颈瓶中通入气体，通过机械泵控制三颈瓶中气压，通过射频电源使三颈瓶中气体起辉放电，并通过匹配器将反馈信号调整为零，其特征在于包括以下步骤
(1)功能化碳纳米管将500mg碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通入气体直到三颈瓶内气压达到15帕，接着设定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入官能团的功能化碳纳米管；
(2)浸溃贵金属前驱体首先将步骤(I)得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7. 5mL浓度为7. 53mg/mL的贵金属酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、贵金属酸溶液混合而成的混合溶液放入超声仪中超声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶液置于真空干燥箱中以40°C的温度干燥12小时，得到碳纳米管与贵金属前驱物的混合物；(3)等离子体还原将步骤(2)中得到的碳纳米管与贵金属前驱物的混合物研磨后放入500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通入气体直到三颈瓶内气压达到20帕，接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电30分钟，最终得到制备完成的贵金属催化剂。所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于步骤(I)和步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入的气体分别采用任意气体，其中步骤(I)中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氮气，步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氢气。所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于所述步骤(2)中贵金属酸溶液为任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到不同贵金属催化剂，优选贵金属的氯酸溶液。本发明的优点是是，利用人为控制官能团的种类及数量，络合贵金属氯酸前驱物 的离子，达到调控催化剂负载量的效果。同时利用等离子体还原贵金属前驱物的方法，避免使用有毒的化学试剂，且大大减少了贵金属的流失，可以高效、大规模的制备贵金属催化剂。
图I是本发明采用的装置原理图。图2是所得样品的TEM图。图3是样品的XRD表征曲线图。图4是样品的XPS表征曲线图。图5是样品在酸性溶液中的电化学活性面积测试曲线图。图6是样品在酸性条件下甲醇溶液中的电催化性能测试曲线图。
具体实施例方式如图I所示。一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用500mL三颈瓶I、气源3、机械泵2、带匹配器5的13. 56MHz的射频电源4，通过气源2向三颈瓶I中通入气体，通过机械泵2控制三颈瓶I中气压，通过射频电源4使三颈瓶I中气体起辉放电，并通过匹配器5将反馈信号调整为零，包括以下步骤
(1)功能化碳纳米管将500mg碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通入氮气直到三颈瓶内气压达到15帕，接着设定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内氮气起辉，氮气起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入含氧官能团的功能化碳纳米管；
(2)浸溃贵金属前驱体首先将步骤(I)得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7. 5mL浓度为7. 53mg/mL的氯钼酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、氯钼酸溶液混合而成的混合溶液放入超声仪中超声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶液置于真空干燥箱中以40°C的温度干燥12小时，得到碳纳米管与钼前驱物的混合物；(3)等离子体还原将步骤(2)中得到的碳纳米管与钼前驱物的混合物研磨后放入500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通入氢气直到三颈瓶内气压达到20帕，接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内氢气起辉，氢气起辉后放电30分钟，最终得到制备完成的钼催化剂。步骤(I)和步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入的气体还可分别采用任意气体，其中步骤(I)中气泵向三颈瓶内通入氮气、步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入氢气为最优方案。步骤(2)中贵金属酸溶液为 任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到不同贵金属催化剂，本实施例中贵金属酸溶液为氯钼酸溶液。本发明利用等离子体技术对作为载体的碳纳米管表面进行改性修饰，利用气体放电产生的活性基团在碳纳米管表面引入官能团，用以络合后续过程中加入的贵金属前驱体。放电气体的种类和参数(功率、时间)对官能团的性质及量有影响，从而对后续过程贵金属前驱体的吸附强度以及数量可控。碳纳米管吸附贵金属前驱体后，利用低温等离子体进行还原，还原的气体可以是任意气体。最后制备得到的钼催化剂样品的透射电子显微镜照片如图2所示，钼纳米颗粒均匀的沉积在碳纳米管表面。如图3所示的XRD表征表明钼颗粒以面心立方结构存在。如图4所示的XPS表明Pt的价态主要以零价存在。取IOmg样品加入ImL的异丙醇溶液中超声10分钟，涂覆在清洗好的碳纸表面制成工作电极，待干燥后放入三电极体系，在除氧的
I.OM硫酸溶液中以50mV/s进行循环伏安扫描，如图5所示，结果表明所得的电化学活性面积为137. 9m2/g。该电极在除氧的0. 5M硫酸加I. OM甲醇溶液中以50mV/s进行循环伏安扫描，如图6所示，结果表明催化剂有很好的催化活性及抗中毒性能。
权利要求
1.一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用三颈瓶、气源、机械泵、带匹配器的射频电源，通过气源向三颈瓶中通入气体，通过机械泵控制三颈瓶中气压，通过射频电源使三颈瓶中气体起辉放电，并通过匹配器将反馈信号调整为零，其特征在于包括以下步骤 (1)功能化碳纳米管将碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通入气体直到三颈瓶内气压达到15帕，接着设定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入官能团的功能化碳纳米管； (2)浸溃贵金属前驱体首先将步骤(I)得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7. 5mL浓度为7. 53mg/mL的贵金属酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、贵金属酸溶液混合而成的混合溶液放入超声仪中超声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶液置于真空干燥箱中以40°C的温度干燥12小时，得到碳纳米管与贵金属前驱物的混合物； (3)等离子体还原将步骤(2)中得到的碳纳米管与贵金属前驱物的混合物研磨后放入500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通入气体直到三颈瓶内气压达到20帕，接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电30分钟，最终得到制备完成的贵金属催化剂。
2.根据权利要求I所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于步骤(I)和步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入的气体分别采用任意气体，其中步骤(I)中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氮气，步骤(3)中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氢气。
3.根据权利要求I所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于所述步骤(2)中贵金属酸溶液为任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到不同贵金属催化剂，优选贵金属的氯酸溶液。
全文摘要
本发明公开了一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，利用等离子体技术对作为载体的碳纳米管表面进行改性修饰，利用气体放电产生的活性基团在碳纳米管表面引入官能团，用以络合后续过程中加入的贵金属前驱体，最后利用低温等离子体进行还原，制备得到的贵金属催化剂。本发明方法绿色、高效，并可避免使用有毒的化学试剂。
文档编号H01M4/92GK102744110SQ20121018559
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者孟月东, 宋铭明, 王奇 申请人:中国科学院等离子体物理研究所