一種納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池催化劑的制備方法，尤其涉及一種納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池由于具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率和較低的污染，越來(lái)越受到各國(guó)政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的重視。其中質(zhì)子交換膜燃料電池又由于其特殊的低溫快速啟動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于作為汽車(chē)及其它可移動(dòng)設(shè)施的電源。目前，阻礙燃料電池商業(yè)化的原因主要是其價(jià)格昂貴，而燃料電池中貴金屬催化劑的使用量太大又是燃料電池價(jià)格昂貴的主要原因之一。為了促進(jìn)燃料電池的商業(yè)化，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，迫切需要降低燃料電池中貴金屬催化劑的載量。
[0003]納米多孔金屬薄膜載鉑材料及納米多孔鉑因其鉑原子較高的利用率，作為燃料電池催化劑具有廣泛的應(yīng)用前景。納米多孔金屬薄膜通常是一種具有納米結(jié)構(gòu)的宏觀薄膜材料。納米多孔金屬薄膜的孔徑處于納米尺度(I到lOOnm)。納米多孔金屬材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的導(dǎo)電性和高比表面積廣泛的應(yīng)用于過(guò)濾、傳感、催化等領(lǐng)域。
[0004]最近，利用腐蝕法制備納米多孔金屬材料的方法越來(lái)越受到人們的重視。將成分和比例合適的合金通過(guò)化學(xué)或者電化學(xué)方法腐蝕可以制備高比表面積、結(jié)構(gòu)均勻可調(diào)的惰性多孔金屬。這種納米結(jié)構(gòu)材料由于具有三維連續(xù)的孔道和孔壁、較高的比表面積、良好的導(dǎo)電性和較強(qiáng)的抗腐蝕能力等優(yōu)異特性可以作為催化劑特別是電催化劑的載體。1990年Karl Sieradzki和Roger C.Newman報(bào)道了可通過(guò)電化學(xué)腐蝕金銀合會(huì)來(lái)制備多孔金結(jié)構(gòu)(Karl sieradzki，Roger C.Newman “Micro- and Nano-porous Metallic Structures，，US Patent，4，977，038，Dec.11,1990)o
[0005]2004 年美國(guó)專(zhuān)利和國(guó)際專(zhuān)利(Jonah Erlebacher, Yi Ding “Method of FormingNanoporous Membranes” US Patent,6,805,972, Oct.1 9,2004 ；fforldwide Patent, NO2004/020064，March 11，2004)公開(kāi)了通過(guò)腐蝕商用金銀合金箔制備高比表面積多孔金薄膜的。
[0006]國(guó)際專(zhuān)利(Jonah Erlebacher, Yi Ding “Method of Plating Metal Leafs andMetal Membranes” Worldwide Patent, WO 2004/021481, Nov.3, 2004)公開(kāi)了基于以上多孔金薄膜的金屬鍍膜的方法。在這種多孔金屬鍍膜的方法中，多孔金薄膜被置于含有金屬離子的溶液和含有還原劑的氣體界面上，氣液相反應(yīng)發(fā)生在多孔金的孔道里，從而多孔金的孔壁表面可以均勻地鍍上一層金屬，特別是具有催化活性的貴金屬。這種方法只適合能夠浮在水溶液表面的很薄的多孔金薄膜，而且貴金屬沉積的過(guò)程及載量較難控制。
[0007]中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(授權(quán)公告號(hào)CN101332438B)公開(kāi)了一種對(duì)多孔金進(jìn)行貴金屬鍍層修飾的方法，該方法將腐蝕法制備的納米多孔金置于電鍍液中進(jìn)行電化學(xué)鍍，使吸附的貴金屬離子還原成貴金屬單質(zhì)并使其牢固地結(jié)合在多孔金孔壁上。
[0008]納米多孔金屬薄膜厚度薄，機(jī)械性能較差，操作過(guò)程中容易損壞，而且轉(zhuǎn)移到鍍液中的時(shí)候也會(huì)由于溶液表面張力的變化，導(dǎo)致薄膜碎裂脫落，電鍍過(guò)程中無(wú)法保持薄膜的完整性，因此難以實(shí)現(xiàn)宏量制備。目前對(duì)納米多孔金屬表面鍍金屬元素的宏量制備技術(shù)是將納米多孔金屬打碎，然后將納米多孔結(jié)構(gòu)的碎片或者粉墨刷涂在碳紙上進(jìn)行后續(xù)操作，這個(gè)過(guò)程則在相當(dāng)程度上破壞了薄膜材料的完整性，因此也較難控制材料不同區(qū)域鍍膜的均一性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決了納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素不易操作、多孔金屬薄膜易損壞的技術(shù)問(wèn)題。為此，本發(fā)明提供一種納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素的方法，它具有保持薄膜完整性、納米多孔金屬薄膜易剝離的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0011]一種納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素的方法，其特征在于，包含以下步驟:
1)用超純水將親水碳紙浸濕，將納米多孔金屬薄膜漂浮在超純水中；
2)用親水碳紙將漂浮在超純水中的納米多孔金屬薄膜撈起，用疏水碳紙覆蓋納米多孔金屬薄膜作為陰極電極；
3)將步驟2)的陰極電極與惰性陽(yáng)極浸入含金屬離子的電鍍液中電鍍；
4)電鍍完成后，去除親水碳紙和疏水碳紙，將納米多孔金屬薄膜取出放入超純水中漂洗；
5)將納米多孔金屬薄膜從超純水中撈出，烘干。
[0012]所述納米多孔金屬薄膜是納米多孔金薄膜、納米多孔金覆鉬薄膜、納米多孔鉬薄膜中的一種，所述親水碳紙和疏水碳紙上設(shè)置若干開(kāi)孔，所述惰性陽(yáng)極是鉑電極、石墨電極。
[0013]所述金屬離子的電鍍液是鉍離子的高氯酸溶液、鉑離子的氯鉑酸溶液、鈀離子的氯鈀酸溶液、釕離子的鹽酸溶液、銥離子的鹽酸溶液中的一種。
[0014]所述鉍離子的濃度是0.l~5mM ;鉑離子的濃度是0.l~lg/100mL ;鈀離子的濃度是l~50mM ;釕離子的濃度范圍是l~50mM ;銥離子的濃度范圍是l~35mM ;高氯酸溶液濃度是0.01-0.1M ;氯鉑酸溶液濃度是0.l~lg/100mL ;氯鈀酸溶液濃度是l~50mM ;鹽酸溶液的濃度是 0.01-0.1Mo
[0015]所述步驟5)用Naf1n膜將納米多孔金屬薄膜從超純水中攜出。
[0016]所述步驟5)將納米多孔金屬薄膜置于加熱板上烘干。
[0017]I)置于加熱板上用超純水將親水碳紙I浸濕；將納米多孔金覆鉑薄膜2漂浮在超純水中；2)用親水碳紙I將漂浮在超純水中的納米多孔金覆鉑薄膜2撈起；用疏水碳紙3覆蓋納米多孔金覆鉑薄膜作為陰極電極，親水碳紙I和疏水碳紙3上設(shè)置若干開(kāi)孔4 ;
3)將步驟2)的陰極電極與鉑電極浸入含鉍金屬離子的高氯酸溶液中電鍍；鉍離子的濃度是5mM，高氯酸溶液濃度是0.1M ；
4)電鍍完成后，去除親水碳紙I和疏水碳紙3，將納米多孔金覆鉑薄膜取出放入超純水中漂洗；
5)用Naf1n膜將納米多孔金屬薄膜從超純水中撈出，置于加熱板上烘干。
[0018]用疏水碳紙和親水碳紙將納米多孔金屬薄膜夾在一起鍍金屬元素，保證了納米多孔金薄膜轉(zhuǎn)移過(guò)程中的完整性，并且電接觸更方便可靠。疏水碳紙和親水碳紙的使用，還能保證電鍍完成后，放入水中，多孔金能夠自動(dòng)漂浮在水面，避免了在單層碳紙或者玻璃上電鍍時(shí)造成的無(wú)法剝離。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明方法具有保持納米多孔金屬薄膜完整性、電鍍過(guò)程中電接觸效果好，多孔金屬薄膜易剝離的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是納米多孔金覆鉑薄膜鍍鉍陰極電極結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是納米多孔金薄膜鍍鉑元素材料在0.5M H2SO4S液中的伏安特性曲線(xiàn)；
圖3是納米多孔金薄膜鍍鉑元素材料在0.5M H2SO4S液中的伏安特性曲線(xiàn)；
圖4是納米多孔金覆鉑薄膜鍍鉍元素材料作為直接甲酸燃料電池陽(yáng)極催化劑的放電曲線(xiàn)。
[0020]圖中，1.親水碳紙、2.納米多孔金覆鉑薄膜、3.疏水碳紙、4.孔。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]一種納米多孔金屬薄膜鍍金屬元素的方法，包含以下步驟:
1)用超純水將親水碳紙浸濕。將納米多孔金屬漂浮在超純水中；
2)用親水碳紙將漂浮在超純水中的納米多孔金屬薄膜撈起。用疏水碳紙覆蓋納米多孔金屬薄膜作為陰極電極；
3)將步驟2)的陰極電極與惰性陽(yáng)極浸入含金屬離子的電鍍液中電鍍；
4)電鍍完成后，去除親水碳紙和疏水碳紙，將納米多孔金屬薄膜取出放入超純水中漂洗；
5)將納米多孔金屬薄膜從超純水中撈出，烘干。
[0023]步驟I)中納米多孔金屬薄膜可以是納米多孔金薄膜、納米多孔金覆鉑薄膜、納米多孔鉑薄膜中的一種；
親水碳紙和疏水碳紙上可設(shè)置若干開(kāi)孔，使電鍍液更好地通過(guò)碳紙；
惰性電極可以是鉑電極、石墨電極；
步驟3)的金屬離子的電鍍液是鉍離子的高氯酸溶液、鉑離子的氯鉑酸溶液、鈀離子的氯鈀酸溶液、釕離子的鹽酸溶液、銥離子的鹽酸溶液之一；
鉍離子的濃度是0.l~5mM。鉑離子的濃度是0.l~lg/100mL。鈀離子的濃度是l~50mM。釕離子的濃度范圍是l~50mM。銥離子的濃度范圍是l~35mM。高氯酸溶液濃度是0.01-0.1M。氯鉑酸溶液濃度是0.l~lg/100mL。氯鈀酸溶液濃度是l~50mM。鹽酸溶液的濃度是0.01-0.1M ；
步驟5)可用Naf1n膜將納米多孔金屬薄膜從超純水中攜出。使用Naf1n膜可以讓納米多孔金屬薄膜更好的貼近Naf1n界面，使納米多孔金屬薄膜作為催化劑使用時(shí)，有利于質(zhì)子的傳導(dǎo)和反應(yīng)的快速進(jìn)行，反應(yīng)效果更好；
步驟5)可將納米多孔金屬薄膜置于加熱板上烘干。
[0024]實(shí)施例1
納米多孔金覆鉑薄膜鍍鉍元素的方法，包含以