專利名稱：一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池直接將燃料和氧化劑的化學能轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾熱機循環(huán)的限制， 只要提供燃料即可發(fā)電。它具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、安靜和可靠性高等特點。燃料 電池技術(shù)被認為是21世紀首選的、潔凈的、高效的發(fā)電技術(shù)。 在所有的燃料電池中，直接甲醇燃料電池是以甲醇直接進料的一類質(zhì)子交換膜燃 料電池。由于甲醇燃料來源豐富，價格便宜，理論比能量密度高，便于攜帶與儲存，不需要重 整器，電池具有結(jié)構(gòu)簡單、方便靈活等特點，所以直接甲醇燃料電池在小型獨立電源、移動 電源、軍民通用的傳感器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 當前DMFC的實際應(yīng)用仍受很大限制，其主要原因之一是DMFC基本采用鉑系元素 作為催化劑。在甲醇電氧化過程中產(chǎn)生的類CO中間產(chǎn)物會使鉑系催化劑中毒，從而使電池 的催化性能和壽命大幅度降低。此外鉑系金屬的價格十分昂貴，導(dǎo)致催化劑成本過高，這使 匿FC商業(yè)化非常困難。所以大幅降低催化劑成本，提高催化劑抗中毒能力，成為了匿FC研 究的難點和熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的是提出一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑，是以碳 納米管為載體的納米合金。 本發(fā)明的第二個目的是提供所述的催化劑的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案 —種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑，其組成為碳納米管及合金；
其中所述的合金由Cu、Fe、Ni、Zn、La、Co、Cr、Mn中的任意兩種元素組成；
其中所述的碳納米管為30 50nm ; 其中碳納米管合金的重量比為i : i 20，合金中任意兩種元素的物質(zhì)的摩爾 比為i : io。 —種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑的制備方法，包括如下步驟 (1)、將含有Cu、 Fe、 Ni、 Zn、 La、 Co、 Cr、 Mn中任意兩種金屬的可溶性硝酸鹽或硫酸
鹽配置為O. 2 2mol/L水溶液，其中兩種金屬離子的摩爾比為1 : 1 10; (2)、向步驟(1)所得的溶液中加入碳納米管于溶液中，攪拌24h，得碳納米管合金
混合液； 其中加入的碳納米管按其與合金溶液的重量比為1 : 20;
(3)、將步驟(2)所得的混合液抽濾至干，于干燥皿中放置24h，得到黑色粉末；
(4)、將步驟(3)所得的干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐中，50(TC 80(TC氫氣還原2 8h，即得本發(fā)明的直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑催化劑為非鉑系負載型，具有高 的甲醇電催化氧化活性和高抗中毒性能。由于催化劑為非鉑系過渡金屬，成本較鉑系催化 劑大幅下降，因而能有效提高直接甲醇燃料電池的市場競爭能力。


圖1、實施例1至4所得的催化劑的甲醇電催化氧化穩(wěn)態(tài)極化曲線
圖2、實施例3催化劑的粉末X射線衍射圖
圖3 、實施例3催化劑的透射電鏡圖 下面通過實施例對本發(fā)明進一步闡述，但并不限制本發(fā)明。 本發(fā)明所用的儀器 管式爐SK2-1、 CHI600電化學工作站 極化曲線的測定方法 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。以含有催化劑層的玻碳電極為工作電 極，鉬絲為對電極，飽和甘滎電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L氫氧化鈉的 水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線。
實施例1將0. 012molLa (N03) 3和0. 004molNi (N03) 2溶于20mL去離子水，待完全溶解后向其
中加入O. lg納米碳管(30 50nm)，室溫攪拌24h，然后將其抽濾至干，得到黑色粉末。將
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。將干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐
中70(TC氫氣還原4h。所得黑色粉末即為碳納米管負載的鑭鎳合金催化劑。 將以上合成的催化劑用100目篩網(wǎng)篩濾，取0.02g與0.5mL質(zhì)量比5X乙基纖維素
的無水乙醇溶液混合。在超聲波器中超聲分散15min。取超聲分散的催化劑混合液10iU
滴加在直徑3mm的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電 極為工作電極，鉬絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L 氫氧化鈉的水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線，如圖1 。
實施例2將O. 012molCuCl2禾P 0. 036molMn (N03) 2溶于20mL去離子水，待完全溶解后向其中
加入O. l克納米碳管(30 50nm)，室溫攪拌24h，然后將其抽濾至干，得到黑色粉末。將得
到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。將干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐中
50(TC氫氣還原7h。所得黑色粉末即為碳納米管負載的銅錳合金催化劑。 將以上合成的催化劑用100目篩網(wǎng)篩濾，取0.02g與0.5mL質(zhì)量比5X乙基纖維素
的無水乙醇溶液混合。在超聲波器中超聲分散15min。取超聲分散的催化劑混合液10iU
滴加在直徑3mm的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電 極為工作電極，鉬絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L 氫氧化鈉的水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線，如圖1 。
實施例3[OO37]將O. 04molCo(Ac)2和0. 02molNi (N03) 2溶于20mL去離子水，待完全溶解后向其中
加入O. lg納米碳管(30 50nm)，室溫攪拌24h，然后將其抽濾至干，得到黑色粉末。將得
到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。將干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐中
80(TC氫氣還原8h。所得黑色粉末即為碳納米管負載的鈷鎳合金催化劑。 將以上合成的催化劑用100目篩網(wǎng)篩濾，取0.02g與0.5mL質(zhì)量比5X乙基纖維素
的無水乙醇溶液混合。在超聲波器中超聲分散15min。取超聲分散的催化劑混合液10iU
滴加在直徑3mm的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，鉬絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L氫氧化鈉的水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線，如圖1 。
實施例4將0. 012molFe (N03) 3和0. 004molCr (N03) 2溶于20mL去離子水，待完全溶解后向其
中加入O. l克納米碳管(30 50nm)，室溫攪拌24h，然后將其抽濾至干，得到黑色粉末。將
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。將干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐
中60(TC氫氣還原6h。所得黑色粉末即為碳納米管負載的鐵鉻合金催化劑。 將以上合成的催化劑用100目篩網(wǎng)篩濾，取0.02g與0.5mL質(zhì)量比5X乙基纖維素
的無水乙醇溶液混合。在超聲波器中超聲分散15min。取超聲分散的催化劑混合液10iU
滴加在直徑3mm的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，鉬絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L氫氧化鈉的水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線，如圖1 。
實施例5將O. 002molZn(N0丄和0. 002molCo (N03) 2溶于20mL去離子水，待完全溶解后向其
中加入O. l克納米碳管(30 50nm)，室溫攪拌24h，然后將其抽濾至干，得到黑色粉末。將
得到的粉末置于干燥皿中放置24h，充分干燥。將干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐
中90(TC氫氣還原6h。所得黑色粉末即為碳納米管負載的鐵鉻合金催化劑。 將以上合成的催化劑用100目篩網(wǎng)篩濾，取0.02g與0.5mL質(zhì)量比5X乙基纖維素
的無水乙醇溶液混合。在超聲波器中超聲分散15min。取超聲分散的催化劑混合液10iU
滴加在直徑3mm的玻碳電極表面，室溫下自然干燥。 采用3電極體系測定催化劑的電化學性能。用以上制得的表面催化劑層的玻碳電極為工作電極，鉬絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。在lmol/L甲醇和lmol/L氫氧化鈉的水溶液中，40°C條件下測定穩(wěn)態(tài)極化曲線，如圖1 。 以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑，其特征在于其組成為碳納米管及合金；其中所述的合金由Cu、Fe、Ni、Zn、La、Co、Cr、Mn中的任意兩種元素組成，合金中任意兩種元素的物質(zhì)的摩爾比為1∶10；其中所述的碳納米管為30～50nm；其中碳納米管∶合金的重量比為1∶1～20。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑的制備方法，其特 征在于包括如下步驟(1) 、將含有Cu、 Fe、 Ni、 Zn、 La、 Co、 Cr、Mn中任意兩種金屬的可溶性硝酸鹽或硫酸鹽配 置為O. 2 2mol/L水溶液，其中兩種金屬離子的摩爾比為1 : 1 10;(2) 、向步驟(1)所得的溶液中加入碳納米管于溶液中，攪拌24h，得碳納米管合金混合液；其中加入的碳納米管按其與合金溶液的重量比為o. i : 20;(3) 、將步驟(2)所得的混合液抽濾至干，于干燥皿中放置24h，得到黑色粉末；(4) 、將步驟(3)所得的干燥的黑色粉末放入石英管中，在管式爐中，50(TC 80(rC氫 氣還原2 8h，即得本發(fā)明的直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接甲醇燃料電池陽極納米合金催化劑及其制備方法。即用碳納米管負載兩種不同的過渡金屬鹽，通過氫氣還原制得負載型的納米合金催化劑。本發(fā)明制得的催化劑具有高的甲醇電催化活性和高抗中毒能力。大幅降低了直接甲醇燃料電池的制造成本，有效提高了直接甲醇燃料電池的市場競爭力。
文檔編號B01J23/86GK101728545SQ20091019871
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者周仕林, 張海洋, 曲松, 王璐, 顧穎穎 申請人:上海理工大學