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CN101976737B - 负载型Pt-Fe金属间化合物纳米颗粒催化剂的制备 - Google Patents

负载型Pt-Fe金属间化合物纳米颗粒催化剂的制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了负载型Pt-Fe金属间化合物纳米颗粒催化剂的制备，属于材料科学技术领域和电催化领域。制备过程分两步：1)首先在液相中超声辅助法得到高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的前驱体；2)将1)得到的前驱体在还原气氛下热处理得到高分散负载型Pt-Fe金属间化合物催化剂。本发明所制备得到的纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的前驱体颗粒粒径为1-2nm，热处理后其所得到的负载型纳米Pt-Fe金属间化合物的颗粒粒径为3-5nm，电化学测试表明所得到的高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂表现出明显的电催化氧化甲醇活性，本方法制备简单，适合大规模制备。

Description

负载型Pt-Fe金属间化合物纳米颗粒催化剂的制备
技术领域
本发明涉及一种负载型Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，尤其涉及一种燃料电池用高分散负载型Pt-Fe金属间化合物纳米颗粒催化剂的制备方法，属于材料科学技术领域和电催化领域。
背景技术
2010年全国政协“一号提案”的内容即是低碳经济，低碳经济实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP的问题。燃料电池通过其阴、阳两电极上发生的电化学反应，直接将化学能转换为电能，具有效率高、无污染、噪声低等优点，被认为21世纪首选的洁净高效的发电技术，其承载着人类实现高效率和零排放发电的梦想。根据燃料电池所用的电解质不同，可分为五类：碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池，其中，质子交换膜燃料电池由于具有可室温快速启动、寿命长、比功率和比能量高等突出优点而被得到更多的关注，其特别适合用作电动汽车及便携式电子设备的电源。
质子交换膜燃料电池目前所使用主要为Pt/C及PtRu/C两种催化剂。由于Pt价格昂贵，且其储量有限，为实现质子交换膜燃料电池商业化，要求进一步降低铂的用量并提高催化剂的催化活性。Pt基合金化在现阶段是一种被选择的主要途径。Pt基合金主要可以分为两类，一类是无序固溶相Pt基合金，常见的商用PtRu催化剂即是此类；另一类为有序的金属间化合物。Pt基金属间化合物由于其长短程皆有序的结构及其他特点而较其他无序固溶相合金具有更好的催化活性、催化选择性和稳定性。
Pt基金属间化合物的制备一般采取一些高温热处理的方法(如氩弧熔炼等)来得到，这些制备方法具有热处理温度高、制备周期长等弊端，无法满足质子交换膜燃料电池中对催化剂颗粒尺寸的要求，制备负载型高分散纳米尺度Pt基金属间化合物催化剂更能难以实现。近年来，虽然对Pt基金属间化合物制备方法取得了一定的进步，但是还是难以得到理想纳米尺寸的Pt基金属间化合物，得到负载型纳米尺寸Pt基金属间化合物更是鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法。
本发明提出一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，包括以下两步：
1)按照Pt与Fe的原子比3∶1或1∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入浓度大于1mol/L的硫酸溶液中，其后加入乙二醇，将碳载体加入上述溶液中，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入还原剂次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物前驱体；
2)将1)过程中制得的前驱体在还原气氛下低温400-700℃热处理0.5-3小时后得到高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂。
上述含Fe前驱体为硫酸亚铁，含铂前驱体为氯铂酸、四氯化铂，硫酸溶液的量与乙二醇用量的体积比为1∶1-4，碳载体选择为XC-72(美国Cabot公司)或CNT，碳载体的量根据所需制备催化剂中铂的载量来确定，还原剂为次亚磷酸二氢钠，次亚磷酸二氢钠与金属原子总量的摩尔比为100-120，热处理时还原气氛为氢气体积百分含量大于2％的混合气，混合气中的另一组分为惰性气氛，为氮气或氩气，如95％Ar+5％H2。
步骤1)按照Pt与Fe的原子比1∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入硫酸溶液中时，得到的Pt-Fe金属间化合物为Pt1Fe1金属间化合物，按照Pt与Fe的原子比3∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入硫酸溶液中时，得到的Pt-Fe金属间化合物为Pt3Fe1金属间化合物。
本发明所制备得到的高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物电催化剂前驱体颗粒粒径为1-2nm，经热处理后其颗粒尺寸为3-6nm，电化学测试表明高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物电催化剂表现出明显的电催化氧化甲醇活性及电催化还原氧活性，本方法制备简单，适合批量生产。
附图说明：
图1为制备高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的流程图；
图2为实施例1中制得的负载型Pt1Fe1金属间化合物前驱体的X射线衍射图；
图3为实施例1中制得的负载型Pt1Fe1金属间化合物前驱体的投射电镜照片；
图4为实施例1制得的负载型Pt1Fe1金属间化合物的X射线衍射图；
图5为实施例1制得的负载型Pt1Fe1金属间化合物的投射电镜照片；
图6为本发明实施例1制得的负载型Pt1Fe1金属间化合物电催化剂在0.5mol L-1 H2SO4+0.5mol L-1 CH3OH中的电化学循环伏安曲线；
图7为实施例3中制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体的X射线衍射图；
图8为实施例3中制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体的投射电镜照片；
图9为实施例3制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物的X射线衍射图；
图10为实施例3制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物的投射电镜照片；
图11为本发明实施例3制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物电催化剂在0.5mol L-1 H2SO4+0.5mol L-1 CH3OH中的电化学循环伏安曲线；
图12为实施例6中制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体的投射电镜照片；
图13为实施例6制得的负载型Pt3Fe1金属间化合物的投射电镜照片。
具体实施方式
实施例1
合成过程参见图1：将103.6mg氯铂酸(H2PtCl6 6H2O)和55.6mg硫酸亚铁(FeSO4 7H2O)加入含6.0mL浓硫酸的100.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入100.0mL乙二醇，再加入100.0mg碳粉(Vulcan XC-72)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt-Fe金属间化合物前驱体。所得前驱体的X射线衍射图如图2所示，投射电镜照片如图3所示。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中600℃热处理30分钟后得负载型金属间化合物Pt1Fe1。所得负载型Pt1Fe1金属间化合物的X射线衍射图如图4所示，投射电镜照片如图5所示。从图2可以看出，所得负载型Pt-Fe金属间化合物前驱体为Pt1Fe1无序合金，图3的透射电镜显示所得的负载型Pt-Fe金属间化合物前驱体Pt1Fe1无序合金的颗粒粒径为1-2nm，经过热处理后，其X射线衍射图如图4所示，其显示出对应Pt1Fe1有序金属间化合物的衍射峰；其透射电镜照片如图5所示，热处理后得到的有序金属间化合物的颗粒粒径在3-5nm范围内。采用传统三电极体系，标准氢电极为参比电极，玻碳片作为辅助电极，玻碳电极为工作电极并将所得电催化材料涂于其上，进行电化学测试，图6给出了其在0.5mol L-1H2SO4+0.5MHCOOH中的循环伏安曲线，扫描速度为50mV s-1。从图中可以看出，所得到的负载型Pt1Fe1金属间化合物电催化剂表现出明显的电催化氧化甲醇的活性。
实施例2
合成过程参见图1：将67.4mg四氯化铂(PtCl4)和55.6mg硫酸亚铁(FeSO47H2O)加入含3.0mL浓硫酸的50.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入150.0mL乙二醇，再加入100.0mg碳粉(Vulcan XC-72)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt1Fe1金属间化合物前驱体。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中550℃热处理30分钟后得负载型金属间化合物Pt1Fe1。
实施例3
合成过程参见图1：将155.4mg氯铂酸(H2PtCl6 6H2O)和27.8mg硫酸亚铁(FeSO4 7H2O)加入含6.0mL浓硫酸的100.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入100.0mL乙二醇，再加入150.0mg碳粉(Vulcan XC-72)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt-Fe金属间化合物前驱体。所得前驱体的X射线衍射图如图7所示，投射电镜照片如图8所示。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中600℃热处理30分钟后得负载型Pt3Fe1金属间化合物。所得负载型Pt3Fe1金属间化合物的X射线衍射图如图9所示，投射电镜照片如图10所示。X射线衍射图显示在热处理前样品呈无序Pt-Fe合金相，经热处理后呈有序金属间化合物Pt3Fe1相。热处理前样品颗粒粒径为1-2nm，热处理后为3-5nm。
采用传统三电极体系，标准氢电极为参比电极，玻碳片作为辅助电极，玻碳电极为工作电极并将所得电催化材料涂于其上，进行电化学测试，图11给出了其在0.5mol L-1H2SO4+0.5MHCOOH中的循环伏安曲线，扫描速度为50mV s-1。从图中可以看出，所得到的负载型Pt3Fe1金属间化合物电催化剂也表现出明显的电催化氧化甲醇的活性。
实施例4
合成过程参见图1：将155.4mg氯铂酸(H2PtCl6 6H2O)和27.8mg硫酸亚铁(FeSO4 7H2O)加入含6.0mL浓硫酸的100.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入100.0mL乙二醇，再加入150.0mg碳粉(Vulcan XC-72)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中550℃热处理30分钟后得负载型Pt3Fe1金属间化合物。
实施例5
合成过程参见图1：将155.4mg氯铂酸(H2PtCl6 6H2O)和27.8mg硫酸亚铁(FeSO4 7H2O)加入含6.0mL浓硫酸的100.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入100.0mL乙二醇，再加入150.0mg碳粉(Vulcan XC-72)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中500℃热处理30分钟后得负载型Pt3Fe1金属间化合物。
实施例6
合成过程参见图1：将155.4mg氯铂酸(H2PtCl6 6H2O)和27.8mg硫酸亚铁(FeSO4 7H2O)加入含6.0mL浓硫酸的100.0mL硫酸/蒸馏水中，待溶解后加入100.0mL乙二醇，再加入150.0mg多壁碳纳米管(MWCNT)，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5.0mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入6.0g次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到负载型Pt3Fe1金属间化合物前驱体。将所得前驱体干燥后置于具有还原性的混合气氛(95％Ar+5％H2)中600℃热处理30分钟后得负载型Pt3Fe1金属间化合物。热处理前后负载型Pt3Fe1金属间化合物的透射电镜照片分别见图12和图13。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下两步：
1)按照Pt与Fe的原子比1∶1或3∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入浓度大于1mol/L的硫酸溶液中，其后加入乙二醇，将碳载体加入上述溶液中，超声分散30min，其后水浴搅拌条件下滴加5mol L-1NaOH溶液调节pH至11，然后加入还原剂次亚磷酸二氢钠，65℃超声水浴搅拌反应10小时后抽滤干燥得到高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物前驱体；
2)将1)过程中制得的前驱体在还原气氛下低温400-700℃热处理0.5-3小时后得到高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂；
上述含Fe前驱体为硫酸亚铁，含铂前驱体为氯铂酸、四氯化铂；硫酸溶液的量与乙二醇用量的体积比为1∶1-4。
2.按照权利要求1的一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，碳载体选择为XC-72或CNT。
3.按照权利要求1的一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，次亚磷酸二氢钠与金属原子总量的摩尔比为100-120。
4.按照权利要求1的一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，热处理时还原气氛为氢气体积百分含量大于2％的混合气，混合气中的另一组分为惰性气氛。
5.按照权利要求1的一种质子交换膜燃料电池用高分散负载型纳米Pt-Fe金属间化合物催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)按照Pt与Fe的原子比1∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入硫酸溶液中时，得到的Pt-Fe金属间化合物为Pt1Fe1金属间化合物，按照Pt与Fe的原子比3∶1将含Pt和含Fe的前驱体加入硫酸溶液中时，得到的Pt-Fe金属间化合物为Pt3Fe1金属间化合物。
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