专利名称：一种石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂及其制备方法
技术领域：
本发明属于燃料电池催化剂技术领域，特别涉及一种石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂及其制备方法。
背景技术：
直接甲醇燃料电池(DMFC)是将储存于燃料(甲醇)中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应装置。因其燃料来源广泛、价格低廉、能源密度高、易于携带和储存，运行温度低，环境友好等优点，在移动电源、电动机车等领域有广泛的发展前景。DMFC的重要组成部分之一是阳极催化剂。而Pt对甲醇氧化反应的很好的催化活性使得Pt成为DMFC阳极催化剂的主要组分。然而，由于Pt资源有限，价格昂贵，单一的Pt催化剂易被甲醇电氧化生成的中间体CO毒化，因而限制了直接甲醇燃料电池的实际应用。为了提高贵金属Pt的利用率，Pt纳米粒子多负载在碳载体表面，同时对Pt纳米粒子进行改性以提高Pt的利用率。一方面碳载体的高比表面积和良好的电子传导率有利于金属粒子的分散和降低活化极化和传质极化，如碳黑、碳纳米管等。石墨烯作为一种新型碳载体，具有大比表面积(2630 m2/g)，高电子传导率(15000 cm2/(V · s))，高导热率(5000W/m*K)，高机械强度(130 GPa)，使其拥有理想的载体性能。然而，目前以石墨烯为载体的阳极催化剂的研究仍然较少，并集中在一元和二元金属催化剂，且用传统石墨烯负载方式，易使复杂合金体系团聚，影响了催化剂活性。2012年,Yaojuan Hu等在Applied CatalysisB: Environmental第111-112卷208-217页中报道，以石墨烯为载体负载Pt-Ni作为阳极催化剂，采用后还原石墨烯的方法，使金属粒子粒径均匀，表现出较高的甲醇氧化活性，并认为石墨烯表面官能团对催化活性的提升有促进作用。可见，石墨烯的处理方式对催化剂活性的提升有重要影响。另一方面通过对Pt纳米粒子进行改性，增强其对甲醇催化氧化和抗CO毒化的能力，也是直接甲醇燃料电池阳极催化剂的重要研究方向。目前，用Pd合金对Pt纳米粒子催化剂进行改性成为研究的热点，通常用Pd-M(M=Ni，Co，Fe，Cu等)形成合金以减少贵金属利用率并提高催化性能。因Pd及其合金拥有面心立方结构，有利于相同晶体结构的Pt的沉积；Pd有利于氧键的断开，从而提高了甲醇催化氧化活性；Pd良好的导热性有利于阻止金属粒子的团聚，因此增强了催化剂的耐久性；Pd相比于Pt价格便宜，分布广泛。2010年，王荣方等通过柠檬酸钠稳定法制备了碳粉负载的PdM (M=Ni,Zn，Fe，Cu，Sn)合金，并通过置换反应用Pt修饰在合金表面，使甲醇氧化性能和耐久性能得到明显提高(中国发明专利CN101667644)。可见，以石墨烯为载体，通过有效的石墨烯处理方式，并利用Pd-M合金对Pt进行改性，是提高催化剂的催化活性和稳定性的有效途径。2011年，Hui Zhang等在Electrochimica Acta第56卷7064-7070页中报道，以石墨烯负载Pd1Pt3催化剂并用于甲醇氧化反应，大大提高了催化甲醇氧化能力，并使催化剂耐久性得到明显提升。但单纯以石墨烯负载Pd-Pt贵金属存在价格昂贵，贵金属利用率仍然偏低的缺点，而以石墨烯负载的用Pd-M合金对Pt改性的直接甲醇燃料电池阳极催化剂尚未见诸于报端。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂及其制备方法，以石墨烯为载体，用PdFe合金对Pt进行改性的直接甲醇燃料电池阳极催化剂。该催化剂对甲醇的电化学氧化呈现了很高的催化活性和较好的稳定性，优于美国Johnson Mattney (JM)公司生产销售的Pt/C催化剂，同时使抗CO中毒能力得到增强；并且降低了成本。本发明中以石墨烯负载PdFe改性的Pt基直接甲醇燃料电池阳极催化剂，可以表示为 Pt-PdFe/GNs。其中，Pt:GNs的质量比为 4:100 21:100 ;Pd:GNs 的质量比为 6:100 15:100 ;Fe:GNs 的质量比为 2:100 13:100。 本发明中以石墨烯负载PdFe改性的Pt基直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，首先通过Hummer法和随后的超声处理制得氧化石墨烯(GO)作为载体材料，进一步通过丙三醇水热还原的方法制得氧化石墨烯负载PdFe合金(PdFe/GO)，最后通过浸溃还原法用乙二醇同时还原Pt和氧化石墨烯，并加入一定量NaBH4溶液使进一步反应完全，制得一种低Pt含量、高分散、高稳定性的DMFC阳极催化剂。具体包括以下步骤(I) GO载体的制备通过Hummer法制备氧化石墨，此方法具体步骤为将10 g石墨(Graphite)分散于浓硫酸中，加入K2S2O8和P2O5 (Graphite:K2S208:P2O5的质量比为2:1:1),80 °C下冷凝回流6小时,得到预氧化石墨。将2 5g预氧化石墨分散在浓硫酸中，加入I. 25 2. 5g NaNO3,冰水浴中剧烈搅拌下加入6 15g KMnO4,反应I. 5h，随后在35°C下反应O. 5h，然后在反应液中加水，保持98°C反应15min。反应液冷却后分层，取下层溶液，用H2O2洗至无气泡产生，用稀盐酸洗至无S042—，用水洗至中性后干燥沉淀，即得氧化石墨。将干燥后产物在lmol/L的NaOH溶液(氧化石墨与NaOH的质量比为1:16)中超声分散至无颗粒物出现，即得到氧化石墨烯载体溶液。(2)PdFe/G0的制备在上述氧化石墨烯载体溶液中加入加入丙三醇、PdCl2 (PdCl2与GO的质量比为13:100 23:100)和FeCl3 (FeCl3与GO的质量比为7:100 ~ 36:100)溶液，磁力搅拌下150 1冷凝回流10 h。反应液冷却后洗涤，干燥，所得粉末即为氧化石墨烯负载的PdFe催化剂(PdFe/GO)。(3) Pt-PdFe/GNs的制备将上述PdFe/GO在乙二醇溶液中分散lh，加入H2PtCl6(H2PtCl6 ·6Η20 与 PdFe/GO 的质量比为 10. 5:100 47:100)，用 5% 的 Na0H/EG 溶液使 pH 稳定于10，130 1冷凝回流24 h，温度降低至80°C，加入NaBHyjC溶液，继续反应4h。反应液冷却后洗涤，干燥，所得粉末即为石墨烯负载的Pt-PdFe催化剂(Pt-PdFe/GNs)。本发明与现有技术相比具有以下优点和特点(I)首次通过改进的石墨烯负载方法制备石墨烯负载PdFe改性的Pt基电催化剂，通过改进石墨烯负载方法，使所得金属粒子尺寸小，分布均匀，提供了一种直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体处理的方法。(2)首次利用石墨烯负载含Pd的三元金属Pt基催化剂，通过加入第三种非贵金属，降低了贵金属的用量，并使催化甲醇氧化性能和耐久性能大大提高，并提高了抗CO中毒性能，提供了一类直接甲醇燃料电池以石墨烯为载体的阳极催化剂降低贵金属用量的方法。
(3)本发明制备的以石墨烯为载体负载含Pd三元金属Pt基催化剂，金属粒子尺寸小，粒径均匀，在较低的Pt含量下仍能仍然对甲醇电氧化具有很好的电催化活性和较高的稳定性，具有很好的商业应用前景。提供了一类直接甲醇燃料电池阳极催化剂及其制备方法。
图I 为实施例 I 的 Pt-PdFe/GNs 与商业 Pt/C 在 O. 5mol/L CH30H+0. 5mol/L H2SO4的循环伏安图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。 实施例I :(1)60载体的制备在2411^ 浓 H2SO4 中加入 IOg 石墨，5g K2S2O8, 5g P2O5,80。。冷凝回流6h，反应完洗涤，干燥，得预氧化石墨。取2g上述预氧化石墨，和Ig NaNO3*同加入到46mL浓H2SO4中，在冰水浴中剧烈搅拌下加入6g KMnO4,控制温度使溶液保持低于20°C，反应I. 5h ;然后将反应体系转移到35°C的水浴中，反应O. 5h ;最后在溶液中滴加92mL水，使温度在98°C保持15min。反应结束冷却后，用含5mL30% H2O2的280mL去离子水洗至无气泡产生，用280mL 5% HCl溶液洗至用8&(12检测无白色沉淀，用去离子水洗至中性后，干燥，所得粉末为氧化石墨。将50 mg氧化石墨分散到20 mL lmol/L的NaOH溶液中，超声2h，SP得氧化石墨烯(GO)溶液。(2)在上述20 mL氧化石墨烯溶液(2. 5 mg/mL)中加入25mL丙三醇、O. 655mL PdCl2溶液(10 mg/mL)和2. 335mL FeCl3溶液(10 mg/mL)，磁力搅拌下150°C冷凝回流10h，待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为PdFe/GO。(3)取50mg PdFe/GO，加入O. 635mL H2PtCl6 ·6Η20，用 5%的NaOH-EG使溶液pH稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反应液冷却至80°C，加入0. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为5:8:12:100。图I为实施例I制备的Pt-PdFe/GNs催化剂与Johnson Mattney公司生产销售的20% Pt/C(JM)催化剂对甲醇催化氧化比较图，参比电极为Ag/AgCl。由图I可见，本实施例制备的碳载Pt基催化剂表现出更高的催化甲醇性能，其单位质量Pt催化甲醇能力提高了 26倍，抗CO中毒能力提高了 75%。实施例2 本实施例除下述特征外同实施例I :在上述20 mL氧化石墨烯溶液(2. 5 mg/mL)中加入 25mL 丙三醇、0. 965mL PdCl2 溶液(10 mg/mL)和 I. 160mL FeCl3 溶液(10 mg/mL), M力搅拌下150°C冷凝回流10h，待停止加热后，洗涤，干燥。取50mg PdFe/GO,加入 0. 950mL H2PtCl6 ·6Η20，用 5% 的 NaOH-EG 使溶液 pH 稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反应液冷却至80°C，加入0. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为7:12:6:100。
实施例3 本实施例除下述特征外同实施例I :在上述20 mL氧化石墨烯溶液(2. 5 mg/mL)中加入 25mL 丙三醇、I. 165mL PdCl2 溶液(10 mg/mL)和 O. 465mL FeCl3 溶液(10 mg/mL), M力搅拌下150°C冷凝回流10h，待停止加热后，洗涤，干燥。取50mg PdFe/GO,加入 I. 135mL H2PtCl6 ·6Η20，用 5% 的 NaOH-EG 使溶液 pH 稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反应液冷却至80°C，加入O. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为8. 5:14:2. 5:100。实施例4 本实施例除下述特征外同实施例I :取50mg PdFe/GO,加入I. O2OmLH2PtCl6 ·6Η20，用5%的NaOH-EG使溶液pH稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反应液冷却至80°C，加入O. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为7. 5:8:12:100。实施例5 本实施例除下述特征外同实施例I :取50mg PdFe/GO,加入I. 775mLH2PtCl6 ·6Η20，用5%的NaOH-EG使溶液pH稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反应液冷却至80°C，加入O. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为13:8:12:100。实施例6 本实施例除下述特征外同实施例I :取50mg PdFe/GO,加入2. 820mLH2PtCl6 ·6Η20，用5%的NaOH-EG使溶液pH稳定到10，磁力搅拌lh，130°C冷凝回流24h。反 应液冷却至80°C，加入0. 5g NaBH4和50mL去离子水，冷凝回流4h。待停止加热后，洗涤，干燥，所得产物为Pt-PdFe/GNs，其中Pt:Pd:Fe:GNs的质量比为21:8:12:100。
权利要求
1.一种石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂，其特征在于，以氧化石墨烯为载体，通过水热法负载PdFe双金属，然后通过浸溃法负载同时还原Pt和石墨烯，得到石墨烯GNs负载Pt-PdFe阳极催化剂，表示为Pt-PdFe/GNs ； 其中，Pt:GNs的质量比为4:100 21:100 ; PchGNs的质量比为6:100 15:100 ; Fe:GNs的质量比为2:100 13:100。
2.—种权利要求I所述石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂的制备方法，其特征在于，包括下述步骤 (1)GO载体的制备将10 g石墨(Graphite)分散于浓硫酸中，加入K2S2O8和P2O5 ,Graphite: K2S2O8: P2O5的质量比为2:1:1,80 °C下冷凝回流6小时,得到预氧化石墨；将2 5g预氧化石墨分散在浓硫酸中，加入I. 25 2. 5g NaNO3,冰水浴中剧烈搅拌下加入6 15gKMnO4,反应I. 5h，随后在35°C下反应O. 5h，然后在反应液中加水，保持98°C反应15min ;反应液冷却后分层，取下层溶液，用H2O2洗至无气泡产生，用稀盐酸洗至无S042—，用水洗至中性后干燥沉淀，即得氧化石墨；将干燥后产物在lmol/L的NaOH溶液中超声分散至无颗粒物出现，即得到氧化石墨烯载体溶液；氧化石墨与NaOH的质量比为1:16 ; (2)PdFe/G0的制备在上述氧化石墨烯载体溶液中加入NaOH，并加入丙三醇、PdCl2和FeCl3溶液，磁力搅拌下150 1冷凝回流10 h ;反应液冷却后洗涤，干燥，所得粉末即为氧化石墨烯负载的PdFe催化剂PdFe/GO ;其中，PdCl2与GO的质量比为13:100 23:100，FeCl3与GO的质量比为7:100 36:100 ； (3)Pt-PdFe/GNs的制备将上述PdFe/GO在乙二醇溶液中分散lh，加入H2PtCl6，H2PtCl6 ·6Η20 与 PdFe/GO 的质量比为 10. 5:100 — 47:100，用 Na0H/EG 使溶液 pH 稳定到 10，.130 1冷凝回流24 h，温度降低至80°C，加入NaBH4水溶液，继续反应4h ;反应液冷却后洗涤，干燥，所得粉末即为石墨烯负载的Pt-PdFe催化剂Pt-PdFe/GNs。
全文摘要
一种石墨烯负载Pt-PdFe电催化剂及其制备方法，属于燃料电池催化剂技术领域。该催化剂以氧化石墨烯CO为载体，通过水热法负载PdFe双金属，然后通过浸渍法负载同时还原Pt和石墨烯,得到石墨烯GNs 负载Pt-PdFe阳极催化剂，表示为Pt-PdFe/GNs。本发明催化剂的特点是金属粒子尺寸小且分布均匀，并对甲醇的电化学氧化呈现了很高的催化活性和较好的稳定性，优于美国Johnson Mattney公司生产销售的Pt/C催化剂，同时还具有很强的抗CO中毒能力。
文档编号B01J23/89GK102698772SQ20121020676
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者张怀迁, 张慧 申请人:北京化工大学