一种纳米台阶状金属催化剂的低温热处理制备方法

1.本发明属于纳米催化剂技术领域，涉及一种纳米台阶状金属催化剂的制备方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种利用催化剂将氢和氧结合成水、从而产生直流电的电化学装置，它具有能量转换效率高、环境友好等优点，被认为是一种解决能源危机和碳排放的新能源技术。随着人类探索脚步向深海、极地等极寒地区迈进，如何提高燃料电池低温转化效率正成为目前面对的主要问题。增加催化活性中心活性数量、提高活性中心催化活性是目前的新型低温催化剂设计的主要思路。研究结果表明，以纳米台阶为代表的高指数晶面是催化剂的催化活性中心。利用低温反应环境，可控合成大量表面台阶结构的纳米金属催化剂，将充分发挥纳米结构的表面效应以及量子尺寸效应优势，显著提高提高燃料电池低温转化效率。


技术实现要素：

3.因此，本发明提出一种利用低温热处理工艺、可控合成一体式纳米台阶状金属催化剂的制备方法，显著提高燃料电池低温催化性能。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
4.一种纳米台阶状金属催化剂的制备方法，以金属基催化剂为原料，采用低温热处理工艺合成纳米台阶状金属催化剂；所述金属基催化剂为铁基催化剂、镍基催化剂、钴基催化剂、铜基催化剂、铂基催化剂、钯基催化剂中的一种。
5.一种纳米台阶状金属催化剂的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
6.1)将金属基催化剂打磨抛光后放入惰气保护的管式炉中，加热保温；
7.2)将步骤1)得到的金属基催化剂置于冷却剂中冷却，采用低温热处理工艺合成纳米台阶状金属催化剂
8.进一步地，所述低温热处理工艺的温度为-200℃-0℃。
9.进一步地，所述步骤1)中加热的温度为700～900℃，所述保温的时间为20～60分钟，所述惰气为氩气、氮气中的一种。
10.进一步地，所述步骤2)中冷却剂为液氮、冰水混合物、乙醇中的一种。
11.进一步地，所述冷却时间为3～5分钟。
12.本发明提供了前述方法制备得到的纳米台阶状金属催化剂。
13.通过400～900℃高温加热，然后在0～5℃冰水混合物中低温冷却制备纳米台阶状铁基催化剂；
14.通过400～900℃高温加热，然后在0～5℃冰水混合物中低温冷却制备纳米台阶状铜基催化剂；
15.通过400～900℃高温加热，然后在0～5℃冰水混合物中低温冷却制备纳米台阶状铂基催化剂；
16.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
17.1)通过低温合成的纳米台阶催化表现出较高的催化活性，最高比活性为0.30ma/cm2；
18.2)将纳米台阶活性中心与块体金属结合在一起制备的一体式纳米金属催化剂表现出较好的催化稳定性。
附图说明
19.图1为纳米台阶状铁基催化剂扫描电镜显微组织观察照片
20.图2为纳米台阶状铜基催化剂扫描电镜显微组织观察照片
21.图3为纳米台阶状铂基催化剂扫描电镜显微组织观察照片
22.图4为纳米台阶状铁基催化剂比活性测试图谱
23.图5为纳米台阶状铜基催化剂比活性测试图谱
24.图6为纳米台阶状铂基催化剂比活性测试图谱
25.图7为纳米台阶状铁基催化剂电流-时间测试曲线
26.图8为纳米台阶状铜基催化剂电流-时间测试曲线
27.图9为纳米台阶状铂基催化剂电流-时间测试曲线
具体实施方式
28.以下结合具体实施例对本发明处理工艺作进一步说明。
29.实施例1
30.(1)采用电弧炉在1580℃熔炼铁镍合金(80％fe-20％ni)，线切割成为20
×
30
×
30mm3的铁基块状催化剂，将块状铁基催化剂用600～800#砂纸打磨后，在抛光机上抛光至没有划痕；
31.(2)将块状铁基催化剂放入氩气保护的管式炉中，加热到700～900℃，保温40～60分钟；
32.(3)将块状铁基催化剂快速置于冰水混合物中冷却3～5分钟，获得纳米台阶状铁基催化剂；
33.(4)采用电化学工作站测试纳米台阶状铁基催化剂的电化学性能。
34.图1为本实施例制备的纳米台阶状铁基催化剂扫描电镜显微组织观察照片。如图4所示，273k低温合成纳米台阶状铁基催化剂的比活性为0.21ma/cm2，明显高于343k高温合成的铁基催化剂的0.15ma/cm2；如图7的电流-时间曲线所示，273k低温合成纳米台阶状铁基催化剂的电流密度为9.1ma/cm2，高于343k高温合成的铁基催化剂的8.2ma/cm2，因此低温合成的催化剂的催化稳定性也高于343k高温合成的铁基催化剂。
35.实施例2
36.(1)采用电弧炉在980℃熔炼铜锌合金(95％cu-5％zn)，线切割成为20
×
30
×
30mm3的铜基块状催化剂，块状铜基催化剂用600～800#砂纸打磨后，在抛光机上抛光至没有划痕；
37.(2)将块状铜基催化剂放入氩气保护的管式炉中，加热到400～600℃，保温20～30分钟；
38.(3)将块状铜基催化剂快速置于冰水混合物中冷却3～5分钟，获得纳米台阶状铜基催化剂；
39.(4)采用电化学工作站测试纳米台阶状铜基催化剂的电化学性能。
40.图2为本实施例制备的纳米台阶状铜基催化剂扫描电镜显微组织观察照片。如图5所示，273k低温合成纳米台阶状铜基催化剂的比活性为0.30ma/cm2，明显高于343k高温合成的铜基催化剂的0.17ma/cm2；如图8的电流-时间曲线所示，273k低温合成纳米台阶状铜基催化剂的电流密度为8.6ma/cm2，高于343k高温合成的铜铁基催化剂的6.5ma/cm2，因此低温合成的催化剂的催化稳定性也高于343k高温合成的铜基催化剂。
41.实施例3
42.(1)采用电弧炉在1960℃熔炼铂铁镍合金(50％pt-30％fe-20％ni)，线切割成为20
×
30
×
30mm3的铂基块状催化剂，将块状铂基催化剂用600～800#砂纸打磨后，在抛光机上抛光至没有划痕；
43.(2)将块状铁基催化剂放入氩气保护的管式炉中，加热到700～900℃，保温40～60分钟；
44.(3)将块状铁基催化剂快速置于冰水混合物中冷却3～5分钟，获得纳米台阶状铂基催化剂；
45.(4)采用电化学工作站测试纳米台阶状铂基催化剂的电化学性能。
46.图3为本实施例制备的纳米台阶状铂基催化剂扫描电镜显微组织观察照片。如图6所示，273k低温合成纳米台阶状铂基催化剂的比活性为0.25ma/cm2，明显高于343k高温合成的铂基催化剂的0.18ma/cm2；如图9所示，273k低温合成纳米台阶状铂基催化剂的的电流密度为8.1ma/cm2，高于343k高温合成铂基催化剂的7.1ma/cm2，因此低温合成的催化剂的催化稳定性也高于343k高温合成的铂基催化剂。
47.对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。