专利名称：碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的制备方法，具体地说，是一种碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池提供了一个新的高效利用氢能的途径。目前，以氢为燃料的燃料电池得到广泛的关注和研究，国内外已经有以氢燃料电池为电源的电动汽车的研制和应用。但是当前存在氢燃料电池的造价高，氢的利用率还有待进一步提高等问题。解决以上问题的关键之一就是研制高性能、低成本的电极催化剂。现有的电极催化剂主要是采用金属铂及其它铂系金属，这使电极成本高。为了降低成本，采用纳米碳材料为载体，制备高度分散的、粒度均匀的金属铂纳米颗粒的方法，来减少贵金属铂的用量，降低电极的成本，同时提高金属铂的利用率，增大氢能的转化率。已有文献报道，以活性碳、碳黑、碳纳米管作为载体，将金属铂纳米颗粒负载到其表面成为电极催化剂。
经对现有技术的文献检索发现，Wenzhen Li等在《Carbon》(碳)40(2002)787-803上发表的“Carbon nanotubes as support for cathode catalyst ofa direct methanol fuel cell”(碳纳米管作为直接甲醇燃料电池阴极催化剂载体)一文中提及到利用碳纳米管作为燃料电池阴极催化剂载体报道。但由于碳纳米管相互缠绕，分散性差，比表面积低，使负载的铂颗粒大小不均，催化性能欠佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，使其采用碳纳米笼作为催化剂载体，以醇为还原剂，将氯铂酸直接还原并沉积到经过活化处理的碳纳米笼上，制备出分散性好、催化活性高的、可用于质子交换膜燃料电池的碳纳米笼负载的金属铂纳米颗粒催化剂。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤(1)可任选以下两种方法中的一种进行碳纳米笼的活化处理方法一，酸洗把碳纳米笼悬浮分散到稀硝酸中，回流，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，烘干；方法二，空气中，高温处理，盐酸浸泡超声振荡，过滤，水洗。
此操作步骤目的是除去碳纳米笼中残留的金属及其氧化物，增大比表面积。
(2)制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量，把处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的醇，及氯铂酸的醇溶液，超声振荡，油浴加热，反应，过滤，即得催化剂。
所述的步骤(1)中，回流3h，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，80℃烘干。
所述的步骤(1)中，350℃处理1h，盐酸浸泡超声振荡3～5h。
所述的步骤(2)中，铂与碳纳米笼的质量比值在0.25～1.0之间，相对应于铂的负载量20％～50％。
所述的步骤(2)中的过滤，是指去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥。
所述的还原剂和溶剂的醇是指乙醇或乙二醇。
所述的步骤(2)中，超声振荡30min，油浴加热，反应3h，过滤，即得催化剂。
所述的催化剂具有以下结构特征(1)碳纳米笼具中空结构，外壁有石墨层组成，笼的外径在10-80nm；(2)在碳纳米笼上负载铂粒子，其分布均匀，大小在1-5nm。
本发明工艺简单，成本低，易于操作。与现有的质子交换膜燃料电池用电极催化剂相比，具有比表面积大，催化剂颗粒小，粒径分布比较均匀，金属铂利用率高，在不降低催化活性的要求下减少金属铂的用量，降低电极经济成本。燃料电池测试结果表明，本催化剂具有很高的电催化活性。
具体实施例方式
实施例一
1、碳纳米笼的活化处理酸洗把碳纳米笼悬浮分散到稀硝酸中，回流3h，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，80℃烘干。
2、制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量为50％。即把0.28g处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的乙二醇，及氯铂酸的乙二醇溶液(含氯铂酸0.59g，即铂0.28g)，乙二醇的总体积定量为350mL。超声振荡30min，油浴加热140℃，反应3h，过滤，去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥，即得铂含量为50％的催化剂。
3、催化剂性能测定将催化剂按标准方法制备成电极，用标准燃料电池测试系统进行测定。测定的最高输出功力是0.55-0.60W/cm2.
实施例二1、碳纳米笼的活化处理酸洗把碳纳米笼悬浮分散到稀硝酸中，回流3h，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，80℃烘干。
2、制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量为45％。即把0.34g处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的乙醇，及氯铂酸的乙醇溶液(含氯铂酸0.59g，即铂0.28g)，乙醇的总体积定量为350mL。超声振荡30min，油浴加热回流，反应3h，过滤，去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥，即得铂含量为45wt.％的催化剂。
3、催化剂性能测定将催化剂按标准方法制备成电极，用标准燃料电池测试系统进行测定。测定的最高输出功力是0.43-0.53W/cm2。
实施例三1、碳纳米笼的活化处理空气中，350℃处理1h，盐酸浸泡超声振荡4h，过滤，水洗。
2、制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量为35％。即把0.97g处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的乙二醇，及氯铂酸的乙二醇溶液(含氯铂酸0.59g，即铂0.28g)，乙二醇的总体积定量为350mL。超声振荡30min，油浴加热140℃，反应3h，过滤，去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥，即得铂含量为35％的催化剂。
3、催化剂性能测定将催化剂按标准方法制备成电极，用标准燃料电池测试系统进行测定。测定的最高输出功力是0.30-0.35W/cm2。
实施例四1、碳纳米笼的活化处理空气中，350℃处理1h，盐酸浸泡超声振荡3～5h，过滤，水洗。
2、制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量为20％。即把1.12g处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的乙二醇，及氯铂酸的乙二醇溶液(含氯铂酸0.59g，即铂0.28g)，乙二醇的总体积定量为350mL。超声振荡30min，油浴加热140℃，反应3h，过滤，去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥，即得铂含量为20％的催化剂。
3、催化剂性能测定将催化剂按标准方法制备成电极，用标准燃料电池测试系统进行测定。测定的最高输出功力是0.20-0.25W/cm2。
实施例五1、碳纳米笼的活化处理空气中，350℃处理1h，盐酸浸泡超声振荡5h，过滤，水洗。
2、制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量为45％。即把0.34g处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的乙醇，及氯铂酸的乙醇溶液(含氯铂酸0.59g，即铂0.28g)，乙醇的总体积定量为350mL。超声振荡30min，油浴加热回流，反应3h，过滤，去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥，即得铂含量为45wt.％的催化剂。
3、催化剂性能测定将催化剂按标准方法制备成电极，用标准燃料电池测试系统进行测定。测定的最高输出功力是0.40-0.50W/cm2。
权利要求
1.一种碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)任选以下两种方法中的一种进行碳纳米笼的活化处理方法一，酸洗把碳纳米笼悬浮分散到稀硝酸中，回流，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，烘干；方法二，空气中，高温处理，盐酸浸泡超声振荡，过滤，水洗；(2)制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量，把处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的醇，及氯铂酸的醇溶液，超声振荡，油浴加热，反应，过滤，即得催化剂。
2.根据权利要求1所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的步骤(1)中，所述的烘干，是指80℃烘干。
3.根据权利要求2所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的步骤(1)中，所述的高温处理，是指350℃处理。
4.根据权利要求1所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的步骤(2)中，铂与碳纳米笼的质量比值在0.25～1.0之间，相对应于铂的负载量20％～50％。
5.根据权利要求1所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的步骤(2)中的过滤，是指去离子水彻底洗涤，真空干燥器中干燥。
6.根据权利要求4所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的还原剂和溶剂的醇是指乙醇或乙二醇。
7.根据权利要求1所述的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，其特征是，所述的催化剂，是指(1)碳纳米笼具中空结构，外壁有石墨层组成，笼的外径在10-80nm；(2)在碳纳米笼上负载铂粒子，其分布均匀，大小在1-5nm。
全文摘要
一种用于催化剂制造技术领域的碳纳米笼负载金属铂纳米粒子电极催化剂的制备方法，本发明包括以下步骤(1)可任选以下两种方法中的一种进行碳纳米笼的活化处理方法一，酸洗把碳纳米笼悬浮分散到稀硝酸中，回流，过滤，水洗，分散于乙醇溶液中，烘干；方法二，空气中，高温处理，盐酸浸泡超声振荡，过滤，水洗；(2)制备碳纳米笼负载金属铂纳米颗粒的催化剂通过原料配比控制铂在载体上的沉积量，把处理过的碳纳米笼放到圆底烧瓶中，加入作为还原剂和溶剂的醇，及氯铂酸的醇溶液，超声振荡，油浴加热，反应，过滤，即得催化剂。本发明工艺简单，成本低，易于操作，金属铂利用率高，降低电极经济成本，本催化剂具有很高的电催化活性。
文档编号B01J37/02GK1785510SQ200510110210
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者王健农, 赵玉增, 余帆, 盛赵旻 申请人:上海交通大学