专利名称：一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂及其制备方法。
背景技术：
燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，不受卡诺热机循环的限制， 只要提供燃料即可发电。它具有能量转换效率高、环境友好、安静和可靠性高等特点。燃料 电池技术被认为是21世纪首选的、洁净的、高效的发电技术。 在所有的燃料电池中，直接甲醇燃料电池是以甲醇直接进料的一类质子交换膜燃 料电池。由于甲醇燃料来源丰富，价格便宜，理论比能量密度高，便于携带与储存，不需要重 整器，电池具有结构简单、方便灵活等特点，所以直接甲醇燃料电池在小型独立电源、移动 电源、军民通用的传感器件等方面具有广阔的应用前景。 当前DMFC的实际应用仍受很大限制，其主要原因之一是DMFC基本采用铂系元素 作为催化剂。在甲醇电氧化过程中产生的类CO中间产物会使铂系催化剂中毒，从而使电池 的催化性能和寿命大幅度降低。此外铂系金属的价格十分昂贵，导致催化剂成本过高，这使 匿FC商业化非常困难。所以大幅降低催化剂成本，提高催化剂抗中毒能力，成为了匿FC研 究的难点和热点。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂，是以碳 纳米管为载体的纳米合金。 本发明的第二个目的是提供所述的催化剂的制备方法。
本发明的技术方案 —种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂，其组成为碳纳米管及合金；
其中所述的合金由Cu、Fe、Ni、Zn、La、Co、Cr、Mn中的任意两种元素组成；
其中所述的碳纳米管为30 50nm ; 其中碳纳米管合金的重量比为i : i 20，合金中任意两种元素的物质的摩尔 比为i : io。 —种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂的制备方法，包括如下步骤 (1)、将含有Cu、 Fe、 Ni、 Zn、 La、 Co、 Cr、 Mn中任意两种金属的可溶性硝酸盐或硫酸
盐配置为O. 2 2mol/L水溶液，其中两种金属离子的摩尔比为1 : 1 10; (2)、向步骤(1)所得的溶液中加入碳纳米管于溶液中，搅拌24h，得碳纳米管合金
混合液； 其中加入的碳纳米管按其与合金溶液的重量比为1 : 20;
(3)、将步骤(2)所得的混合液抽滤至干，于干燥皿中放置24h，得到黑色粉末；
(4)、将步骤(3)所得的干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉中，50(TC 80(TC氢气还原2 8h，即得本发明的直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂。
本发明的有益效果 本发明的直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂催化剂为非铂系负载型，具有高 的甲醇电催化氧化活性和高抗中毒性能。由于催化剂为非铂系过渡金属，成本较铂系催化 剂大幅下降，因而能有效提高直接甲醇燃料电池的市场竞争能力。
图1、实施例1至4所得的催化剂的甲醇电催化氧化稳态极化曲线
图2、实施例3催化剂的粉末X射线衍射图
图3 、实施例3催化剂的透射电镜图 下面通过实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。 本发明所用的仪器 管式炉SK2-1、 CHI600电化学工作站 极化曲线的测定方法 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。以含有催化剂层的玻碳电极为工作电 极，钼丝为对电极，饱和甘荥电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L氢氧化钠的 水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线。
实施例1将0. 012molLa (N03) 3和0. 004molNi (N03) 2溶于20mL去离子水，待完全溶解后向其
中加入O. lg纳米碳管(30 50nm)，室温搅拌24h，然后将其抽滤至干，得到黑色粉末。将
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。将干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉
中70(TC氢气还原4h。所得黑色粉末即为碳纳米管负载的镧镍合金催化剂。 将以上合成的催化剂用100目筛网筛滤，取0.02g与0.5mL质量比5X乙基纤维素
的无水乙醇溶液混合。在超声波器中超声分散15min。取超声分散的催化剂混合液10iU
滴加在直径3mm的玻碳电极表面，室温下自然干燥。 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。用以上制得的表面催化剂层的玻碳电 极为工作电极，钼丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L 氢氧化钠的水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线，如图1 。
实施例2将O. 012molCuCl2禾P 0. 036molMn (N03) 2溶于20mL去离子水，待完全溶解后向其中
加入O. l克纳米碳管(30 50nm)，室温搅拌24h，然后将其抽滤至干，得到黑色粉末。将得
到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。将干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉中
50(TC氢气还原7h。所得黑色粉末即为碳纳米管负载的铜锰合金催化剂。 将以上合成的催化剂用100目筛网筛滤，取0.02g与0.5mL质量比5X乙基纤维素
的无水乙醇溶液混合。在超声波器中超声分散15min。取超声分散的催化剂混合液10iU
滴加在直径3mm的玻碳电极表面，室温下自然干燥。 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。用以上制得的表面催化剂层的玻碳电 极为工作电极，钼丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L 氢氧化钠的水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线，如图1 。
实施例3[OO37]将O. 04molCo(Ac)2和0. 02molNi (N03) 2溶于20mL去离子水，待完全溶解后向其中
加入O. lg纳米碳管(30 50nm)，室温搅拌24h，然后将其抽滤至干，得到黑色粉末。将得
到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。将干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉中
80(TC氢气还原8h。所得黑色粉末即为碳纳米管负载的钴镍合金催化剂。 将以上合成的催化剂用100目筛网筛滤，取0.02g与0.5mL质量比5X乙基纤维素
的无水乙醇溶液混合。在超声波器中超声分散15min。取超声分散的催化剂混合液10iU
滴加在直径3mm的玻碳电极表面，室温下自然干燥。 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。用以上制得的表面催化剂层的玻碳电极为工作电极，钼丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L氢氧化钠的水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线，如图1 。
实施例4将0. 012molFe (N03) 3和0. 004molCr (N03) 2溶于20mL去离子水，待完全溶解后向其
中加入O. l克纳米碳管(30 50nm)，室温搅拌24h，然后将其抽滤至干，得到黑色粉末。将
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。将干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉
中60(TC氢气还原6h。所得黑色粉末即为碳纳米管负载的铁铬合金催化剂。 将以上合成的催化剂用100目筛网筛滤，取0.02g与0.5mL质量比5X乙基纤维素
的无水乙醇溶液混合。在超声波器中超声分散15min。取超声分散的催化剂混合液10iU
滴加在直径3mm的玻碳电极表面，室温下自然干燥。 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。用以上制得的表面催化剂层的玻碳电极为工作电极，钼丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L氢氧化钠的水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线，如图1 。
实施例5将O. 002molZn(N0丄和0. 002molCo (N03) 2溶于20mL去离子水，待完全溶解后向其
中加入O. l克纳米碳管(30 50nm)，室温搅拌24h，然后将其抽滤至干，得到黑色粉末。将
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。将干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉
中90(TC氢气还原6h。所得黑色粉末即为碳纳米管负载的铁铬合金催化剂。 将以上合成的催化剂用100目筛网筛滤，取0.02g与0.5mL质量比5X乙基纤维素
的无水乙醇溶液混合。在超声波器中超声分散15min。取超声分散的催化剂混合液10iU
滴加在直径3mm的玻碳电极表面，室温下自然干燥。 采用3电极体系测定催化剂的电化学性能。用以上制得的表面催化剂层的玻碳电极为工作电极，钼丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。在lmol/L甲醇和lmol/L氢氧化钠的水溶液中，40°C条件下测定稳态极化曲线，如图1 。 以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂，其特征在于其组成为碳纳米管及合金；其中所述的合金由Cu、Fe、Ni、Zn、La、Co、Cr、Mn中的任意两种元素组成，合金中任意两种元素的物质的摩尔比为1∶10；其中所述的碳纳米管为30～50nm；其中碳纳米管∶合金的重量比为1∶1～20。
2. 如权利要求1所述的一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂的制备方法，其特 征在于包括如下步骤(1) 、将含有Cu、 Fe、 Ni、 Zn、 La、 Co、 Cr、Mn中任意两种金属的可溶性硝酸盐或硫酸盐配 置为O. 2 2mol/L水溶液，其中两种金属离子的摩尔比为1 : 1 10;(2) 、向步骤(1)所得的溶液中加入碳纳米管于溶液中，搅拌24h，得碳纳米管合金混合液；其中加入的碳纳米管按其与合金溶液的重量比为o. i : 20;(3) 、将步骤(2)所得的混合液抽滤至干，于干燥皿中放置24h，得到黑色粉末；(4) 、将步骤(3)所得的干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式炉中，50(TC 80(rC氢 气还原2 8h，即得本发明的直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂。
全文摘要
本发明公开了一种直接甲醇燃料电池阳极纳米合金催化剂及其制备方法。即用碳纳米管负载两种不同的过渡金属盐，通过氢气还原制得负载型的纳米合金催化剂。本发明制得的催化剂具有高的甲醇电催化活性和高抗中毒能力。大幅降低了直接甲醇燃料电池的制造成本，有效提高了直接甲醇燃料电池的市场竞争力。
文档编号B01J23/86GK101728545SQ20091019871
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者周仕林, 张海洋, 曲松, 王璐, 顾颖颖 申请人:上海理工大学