专利名称：一种纳米级纯铂电催化剂的制备方法
技术领域：
本发明属于电化学催化技术领域，特别涉及用于直接甲醇燃料电池的一种纳米级纯铂(Pt)催化剂的制备方法。
背景技术：
直接甲醇燃料电池是一种可以通过甲醇与氧的电化学反应，将储藏在其中的化学能直接转化成电能并向外输出的发电装置。目前的直接甲醇燃料电池主要是在质子交换膜燃料电池的基础上发展而来的，它不但继承了质子交换摸燃料电池高效、比能量高、结构简单、适应性强、低温工作的优点，更以其燃料来源丰富、价格低廉、储存携带方便、安全性高等优点，得到人们的青睐。近年DMFC的发展速度远远超出了人们的预料，业内人士认为是最有可能在短期内实现大规模商业化的燃料电池。它的实用化对解决环境污染，提高资源利用率，加强国防建设均具有重要的战略意义。
由于其良好的电催化性能，纯铂以及铂基催化剂已经广泛运用于直接甲醇燃料电池，至今尚未有替代品。纯铂以及碳载铂催化剂主要用于直接甲醇燃料电池阴极，氧的催化剂还原。高性能的催化剂特征是高的电化学活性表面积，高导电性。纳米纯铂催化剂的制备方法有(1)模板法模板法制备纳米铂胶体主要是通过选择具有不同孔径的材料，如一些介孔材料或聚合物材料，作为纳米铂生成的模板，得到所需孔径的纳米铂颗粒，然而模板的孔径限制了生成的铂颗粒继续长大。
(2)微乳法Yadav等在文献([J].Colloids and Surfaces APhysicochem EngAspacts.2003，211131~134)中采用双二乙基己基琥铂酸钠(AOT)、环己烷和水形成一种反胶束微乳液体系，来合成纳米铂。该法将铂盐溶液与包含有AOT和环己烷的有机相混合，以水合肼为还原剂，控制其中水合肼与铂盐的摩尔比，以确保整个铂盐的还原过程在微乳液的胶束体系内部进行。所得到的催化剂具有良好的催化的性能。
上述方法虽然能制备出较好的催化剂，但过程相对复杂，工艺条件不好控制，参数要求较为严格，扩大量产方面还有不足。
发明内容
本发明的目的是建立操作简单，易于控制，成本低廉，适于大量生产的直接甲醇燃料电池用的一种纳米级纯铂(Pt)催化剂的制备方法。并使催化剂能达到国外同类产品水平。
所述纳米级纯铂(Pt)电催化剂的制备步骤如下1)稳定液的制备(1)量取铂化合物水溶液，其含Pt浓度为0.1g/L～15g/L；(2)按稳定剂与铂化合物水溶液中铂含量的摩尔比为0.25∶1～4∶1比例称取稳定剂，加入上述铂化合物水溶液中，搅拌均匀，配成溶液A；(3)使用1M NaOH、KOH水溶液或NH3·H2O调节溶液A的pH值到5～11；(4)将溶液A，40℃~90℃恒温水浴并持续进行机械搅拌，保持1~30h。
2)还原剂的制备(1)将还原剂硼氢化钠，次磷酸钠或甲醛加入去离子水中；(2)在一定环境下将稳定液A用滴液漏斗以2ml/min～20ml/min的速度加入到步骤(1)的硼氢化钠(NaBH4)的水溶液中。
(3)反应1～5h，即得到还原剂。
3)收样沉降，过滤，用去离子水洗涤样品；4)在60℃～80℃温度下真空干燥3～5h，得到粒径约为2～5nm的铂催化剂。
所述铂化合物水溶液为氯铂酸(H2PtCl6)溶液、氯铂酸氨溶液或氯铂酸钠溶液。
所述稳定剂为柠檬酸、二水合柠檬酸三钠或聚丙烯酸钠。
本发明的有益效果是所制得催化剂粒径小，约为2~5nm，分布集中，有良好的电催化性能，单电池测试结果，其极限输出功率、稳定性略优于国外JohnsonMatthey公司同类产品。整个过程操作简单，易于控制，适合量产。
图1.本发明实施实例1自制铂黑催化剂与Johnson Matthey公司同型产品XRD表征比较图。
图2.本发明实施实例2的透射电镜照片及粒径分布图。
图3.本发明实施实例2自制催化剂与自制铂黑催化剂与Johnson Matthey公司同型产品的单电池性能(60℃ 1M甲醇/空气)对比图，其中阴极分别为自制铂黑与Johnson Matthey铂黑，阳极均为Johnson Matthey铂钌黑。
具体实施例方式
本发明提供一种纳米级纯铂(Pt)催化剂的制备方法。下面例举实施例对本发明予以说明。
实施例1量取氯铂酸(H2PtCl6)溶液135.2ml，含Pt 1g，称取0.75g二水合柠檬酸三钠或柠檬酸，加入上述氯铂酸(H2PtCl6)溶液。使用1M NH3·H2O溶液调节溶液的pH值到6～8之间。将溶液，放入50℃水浴中，稳定8h，溶液水浴过程持续进行机械搅拌。称取50g硼氢化钠(NaBH4)溶于500ml去离子水中，待用。将稳定后的溶液用滴液漏斗以10ml/min的速度加入到还原剂中。反应时间为3h。反应完成后，溶液沉降，过滤，用2L去离子水洗涤样品。80℃真空干燥5h，得到纳米级纯铂催化剂(又称铂黑)收率＞90％，颗粒大小为4.1nm，略小于JohnsonMatthey公司同类产品(如图1所示)。
实施例2量取氯铂酸(H2PtCl6)溶液或氯铂酸氨溶液含Pt 3g，称取2.25g聚丙烯酸钠，加入上述氯铂酸(H2PtCl6)溶液。使用1M NH3·H2O溶液调节溶液的pH值到9～10之间。将溶液，放入60℃水浴中，稳定20h，溶液水浴过程持续进行机械搅拌。称取150g硼氢化钠(NaBH4)溶于1500ml去离子水中，待用。将稳定后的溶液用滴液漏斗以20ml/min的速度加入到还原剂中。反应时间为5h。反应完成后，溶液沉降，过滤，用3L去离子水洗涤样品。70℃真空干燥5h，得到纳米级纯铂催化剂，收率＞90％，颗粒大小为2~4nm，分布均匀(如图2所示)。单电池测试效果优于Johnson Matthey公司同类产品(如图3所示)。
建立操作简单，易于控制，成本低廉，适于大量生产的直接甲醇燃料电池用的并使催化剂能达到国外同类产品水平。
权利要求
1.一种纳米级纯铂电催化剂的制备方法，其特征在于，所述纳米级纯铂电催化剂的制备步骤如下1)稳定液的制备(1)量取铂化合物水溶液，其含Pt浓度为0.1g/L～15g/L；(2)按稳定剂与铂化合物水溶液中铂含量的摩尔比为0.25∶1～4∶1比例称取稳定剂，加入上述铂化合物水溶液中，搅拌均匀，配成溶液A；(3)使用NaOH、KOH水溶液或NH3·H2O调节溶液A的pH值到5～11；(4)将溶液A，40℃～90℃恒温水浴并持续进行机械搅拌，保持1～30h；2)产品的制备(1)将还原剂硼氢化钠，次磷酸钠或甲醛加入去离子水中，其中0.1～5g铂催化剂用50gNaBH4、次磷酸钠或甲醛；(2)在一定环境下将稳定液A用滴液漏斗以2ml/min~20ml/min的速度加入到步骤(1)的还原剂水溶液中；(3)反应1～5h，即得到产品；3)收样沉降，过滤，用去离子水洗涤产品；4)在60℃～80℃温度下真空干燥3～5h，得到粒径约为2～5nm的铂催化剂。
2.根据权利要求1所述纳米级纯铂电催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂化合物水溶液为氯铂酸H2PtCl6溶液、氯铂酸氨溶液或氯铂酸钠溶液。
3.根据权利要求1所述纳米级纯铂电催化剂的制备方法，其特征在于，所述稳定剂为柠檬酸、二水合柠檬酸三钠或聚丙烯酸钠。
全文摘要
本发明公开了属于电化学催化技术领域的一种纳米级纯铂电催化剂的制备方法。该纳米级纯铂电催化剂用于直接甲醇燃料电池。其制备方法在铂化合物水溶液中加入稳定剂，并控制溶液pH值和温度。形成稳定液后在一定条件下进行还原得到无担载催化剂。本方法制得的催化剂粒径为2～5nm，粒径分布集中，制备方法简单，易于操作，成本低廉，可满足工业化生产的需要。单电池测试表明，该催化剂与国外同类产品性能相当。
文档编号B82B3/00GK101036885SQ200710065369
公开日2007年9月19日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者谢晓峰, 王要武, 吴韬, 郭建伟, 尚玉明, 王树博 申请人:清华大学