專利名稱：載鉑泡沫鎳催化材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種載鉑泡沫鎳催化材料及其制備方法，以及該載鉑泡沫鎳催化材料在制備堿性電解液氫氧燃料電池中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
鉑是一種應(yīng)用很廣的催化劑，通常是將鉑沉積在具有很大比表面的碳粒等材料上，金屬載鉑目前的研究主要集中在鈦基上鍍鉑，在鎳基上鍍鉑還未見報道。鍍鉑的方法包括水溶液電鍍、熔鹽電鍍、化學(xué)鍍、磁控濺射等?；瘜W(xué)鍍鉑工藝簡單，一次性投資小，與電鍍法相比，化學(xué)鍍具有以下顯著優(yōu)點不存在因為電流分布不均勻所產(chǎn)生的沉積不均勻現(xiàn)象，在整個工件表面都能獲得均勻的金屬沉積；具有比電沉積優(yōu)良得多的縱深沉積能力，能使鉑粒子均勻地分布在泡沫鎳的任何一個能與氣體或液體接觸的表面。目前化學(xué)鍍鉑大多用氯鉑酸溶液和肼溶液反應(yīng)在質(zhì)子交換膜等基體上沉積金屬鉑。
燃料電池發(fā)展至今已有160余年的歷史，催化電極是影響燃料電池的整體性能的心臟部分，一種新的性能優(yōu)良的材料的發(fā)現(xiàn)及其在燃料電池中的應(yīng)用，會促進一種燃料電池的飛速發(fā)展。氫氧燃料電池具有高效、無污染的特性，鉑是氫氧燃料電池用的最多的催化劑。已有報道原鮮霞等在質(zhì)子交換膜兩側(cè)用氯鉑酸和等濃度的肼溶液反應(yīng)制作燃料電池膜電極，但工藝復(fù)雜。質(zhì)子交換膜燃料電池已被看作電動車的最佳候選電源，但用到的質(zhì)子交換膜和雙極板成本太高。鉑催化堿性氫氧燃料電池的研究已比較成熟，目前主要應(yīng)用于航天和地面特殊應(yīng)用。鎳硬度大，富延展性，具有很好的耐腐蝕性，耐強堿，和鉑一樣對氫有較好的吸附能力。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，具有較大比表面的商品泡沫鎳適合做鉑催化電極的載體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種載鉑泡沫鎳催化材料及其制備方法，以及該載鉑泡沫鎳催化材料在制備堿性電解液氫氧燃料電池中的應(yīng)用。
本發(fā)明采用在泡沫鎳上化學(xué)鍍鉑的方法，用商品泡沫鎳直接和氯鉑酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、金屬鉑沉積在泡沫鎳上制備出載鉑泡沫鎳催化材料。其制備工藝簡單，大大降低了產(chǎn)品成本；以該產(chǎn)品為催化電極材料的堿性電解液氫氧燃料電池性能優(yōu)良，有良好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的載鉑泡沫鎳催化材料是由泡沫鎳基體及負載于其表面的鉑構(gòu)成，鉑負載量為10-4mg·cm-2至1mg·cm-2(通常為10-3mg·cm-2至0.1mg·cm-2)。
本發(fā)明的載鉑泡沫鎳催化材料可以通過在泡沫鎳上化學(xué)鍍鉑的方法，用泡沫鎳作為基體直接與氯鉑酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬鉑沉積負載于泡沫鎳上而制得。
上述本發(fā)明載鉑泡沫鎳催化材料的制備方法，一般包括以下步驟(1).對泡沫鎳基體的表面預(yù)處理用酮類溶劑清洗泡沫鎳表面的氧化層；所用的酮類溶劑，是能去除泡沫鎳的表面氧化膜的溶劑，如乙酰丙酮、噻吩甲酰三氟丙酮等；所用的泡沫鎳可以是一般的商品泡沫鎳。
(2).用去離子水配制氯鉑酸溶液，氯鉑酸溶液濃度可以是包括其飽和濃度以下的所有濃度，一般為0.2mol·L-1～0.0002mol·L-1(常用為0.02mol·L-1～0.002mol·L-1)；(3).化學(xué)鍍鉑將經(jīng)表面預(yù)處理后的泡沫鎳浸入到氯鉑酸溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，至溶液變?yōu)橹行约礊榉磻?yīng)完全，一般在十二個小時以內(nèi)；氯鉑酸溶液的體積與泡沫鎳的重量之比為5∶1～30∶1(mL/g)，最好為10∶1～20∶1(mL/g)；(4).將載鉑泡沫鎳取出用去離子水洗凈，甩干，然后真空干燥，得到所需的載鉑泡沫鎳催化材料。得到的載鉑泡沫鎳催化材料最好密封保存。
本發(fā)明的載鉑泡沫鎳催化材料，所使用的泡沫鎳是純金屬鎳制成的具有纖細骨架結(jié)構(gòu)的泡沫鎳，其棱表面具有桔皮般的微觀形態(tài)，沉積在泡沫鎳基體表面的金屬鉑分布均勻、粒徑在200nm左右、附著力強，具有極佳的電催化活性。本發(fā)明的載鉑泡沫鎳催化材料采用化學(xué)鍍鉑方法制備，避免了使用劇毒的肼以及危險品硼氫化物作還原劑，制備工藝簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對較低，產(chǎn)品適用于堿性或中性環(huán)境。
本發(fā)明的載鉑泡沫鎳催化材料可用于制備堿性電解液氫氧燃料電池。具體是將所述載鉑泡沫鎳材料作為堿性氫氧燃料電池的催化電極材料。
以所需鉑負載量的該種載鉑泡沫鎳材料替換目前同類堿性電解液氫氧燃料電池使用的催化電極材料，制作堿性電解液氫氧燃料電池。在常溫下向載鉑泡沫鎳電極通純氫和純氧，電池的開路電壓馬上達到1.0V左右，短路電流高達0.9A，說明了以本方法制備的載鉑泡沫鎳催化材料具有極佳的電催化活性。
具體實施例方式
為了進一步說明本發(fā)明，列舉以下實施例，但并不限制本發(fā)明的范圍。
實施例1取1玻璃管1g裝的氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)，用去離子水配制成2×10-1mol·L-1的氯鉑酸溶液(約20mL)。將一塊泡沫鎳(約1g)用乙酰丙酮浸泡清洗五分鐘，再用去離子水洗凈，然后在離心機里甩干。將經(jīng)過表面預(yù)處理后的泡沫鎳浸入到20mL上述配好的氯鉑酸溶液中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鉑沉積在泡沫鎳表面。反應(yīng)經(jīng)過11h，測pH值約為7，說明反應(yīng)基本進行完全。將載鉑泡沫鎳取出用去離子水洗凈，在離心機里甩干，真空干燥，密封保存。計算鉑負載量，結(jié)果列于表1。
實施例2取1玻璃管1g裝的氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)，用去離子水配制成2×10-2mol·L-1的氯鉑酸溶液(約100mL)。將一塊泡沫鎳(約10g)用乙酰丙酮浸泡清洗五分鐘，再用去離子水洗凈，然后在離心機里甩干。將經(jīng)過表面預(yù)處理后的泡沫鎳浸入到100mL上述配好的氯鉑酸溶液中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鉑沉積在泡沫鎳表面。反應(yīng)經(jīng)過8h，測pH值約為7，說明反應(yīng)基本進行完全。將載鉑泡沫鎳取出用去離子水洗冷，在離心機里甩干，真空干燥，密封保存。計算鉑負載量，結(jié)果列于表1。
實施例3同實施例2，只是將2×10-2mol·L-1的氯鉑酸溶液稀釋10倍配制成2×10-3mol·L-1，反應(yīng)經(jīng)過5h即基本進行完全。鉑負載量見表1。
實施例4同實施例2，只是氯鉑酸溶液體積增加到200mL，反應(yīng)經(jīng)過10h即基本進行完全。鉑負載量見表1。
實施例5同實施例3，只是將2×10-3mol·L-1的氯鉑酸溶液稀釋十倍配制成約2×10-4mol·L-1，反應(yīng)經(jīng)過3h即基本進行完全。鉑負載量見表1。
實施例6同實施例5，只是氯鉑酸溶液體積增加到200mL，反應(yīng)經(jīng)過4h即基本進行完全。鉑負載量見表1。
表1.各實施例的鉑負載量

從表1可知，通過控制氯鉑酸溶液濃度和氯鉑酸溶液與泡沫鎳基體的用量比例，可以控制所制得的載鉑泡沫鎳材料的鉑負載量。
實施例7以實施例2的產(chǎn)品載鉑泡沫鎳(鉑負載量為0.035mg·cm-2)替代現(xiàn)有的堿性電解液氫氧燃料電池的催化電極材料，氫、氧電極各使用載鉑泡沫鎳材料約10g，該電池以室溫下7.4mol·L-1KOH(35％)做電解質(zhì)，使用純氫純氧。以飽和甘汞電極為參比，測量電極電勢(O2/OH-+、H2O/H2-)及電池開路電壓(Emax)、短路電流(Imax)。結(jié)果見表2。
實施例8同實施例7，只是氫電極使用實施例4制得的載鉑泡沫鎳材料(鉑負載量為0.076mg·cm-2)。
實施例9同實施例8，只是氫、氧電極均使用實施例4制得的載鉑泡沫鎳材料(鉑負載量為0.076mg·cm-2)。
表2.鉑負載量對電池性能的影響
權(quán)利要求
1.一種載鉑泡沫鎳催化材料，其特征是該材料由泡沫鎳基體及負載于其表面的鉑構(gòu)成，鉑負載量為10-4mg·cm-2至1mg·cm-2。
2.按照權(quán)利要求1所述的載鉑泡沫鎳催化材料，其特征是該材料的鉑負載量為10-3mg·cm-2至0.1mg·cm-2。
3.權(quán)利要求1或2所述載鉑泡沫鎳催化材料的制備方法，其特征是采用在泡沫鎳上化學(xué)鍍鉑的方法，用泡沫鎳作為基體直接與氯鉑酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬鉑沉積負載于泡沫鎳上而制得載鉑泡沫鎳催化材料。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征是包括以下步驟(1).對泡沫鎳基體的表面預(yù)處理用酮類溶劑清洗泡沫鎳表面的氧化層；所用的酮類溶劑為乙酰丙酮、噻吩甲酰三氟丙酮；(2).用去離子水配制濃度氯鉑酸溶液，濃度為0.2mol·L-1～0.0002mol·L-1；(3).化學(xué)鍍鉑將經(jīng)表面預(yù)處理后的泡沫鎳浸入到氯鉑酸溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，至溶液變?yōu)橹行?；氯鉑酸溶液體積與泡沫鎳重量之比為5∶1～30∶1；(4).將載鉑泡沫鎳取出用去離子水洗凈，甩干，然后真空干燥，得到所需的載鉑泡沫鎳催化材料。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征是所述的氯鉑酸溶液的濃度為0.02mol·L-1～0.002mol·L-1。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征是所述的氯鉑酸溶液體積與泡沫鎳重量之比為10∶1～20∶1。
7.權(quán)利要求1或2所述載鉑泡沫鎳催化材料在制備堿性電解液氫氧燃料電池中的應(yīng)用。
8.按照權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征是將所述載鉑泡沫鎳材料作為堿性氫氧燃料電池的催化電極材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種載鉑泡沫鎳催化材料及其制備方法，以及該載鉑泡沫鎳催化材料在制備堿性電解液氫氧燃料電池中的應(yīng)用。該材料由微米級泡沫鎳基體及負載于其表面的鉑構(gòu)成，鉑負載量為10
文檔編號B01J32/00GK1785509SQ20051010100
公開日2006年6月14日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者方北龍, 王超 申請人:中山大學(xué)