N,C掺杂的TiO₂纳米纤维负载Pd@Ni直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法

摘要

本发明公开了一种N,C掺杂的TiO₂纳米纤维负载Pd@Ni直接甲醇燃料电池阳极催化剂，催化剂由具有高导电性的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维与具有核壳结构的纳米Pd@Ni组成，N,C掺杂的TiO₂纳米纤维的质量含量为95~97%，纳米Pd@Ni的质量含量为3~5%，n(Pd):n(Ni)为1:1。本发明催化剂对甲醇具有较高的催化氧化性能。甲醇氧化产生的CO等中间产物被吸附、转移到复合催化剂表面，并被直接深度氧化为最终产物CO₂。由于Ni、Pd的价格远低于Pt、Ru等贵金属，且在催化剂中用量较小，因此催化剂的成本大大降低，催化剂的催化性能和抗CO毒化能力大大提高。

主权项

一种N,C掺杂的TiO₂纳米纤维负载Pd@Ni直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备方法，其特征是：包括下列步骤：（1）N,C掺杂的TiO₂纳米纤维的制备：采用溶胶‑凝胶法和静电纺丝法：将钛酸丁酯和聚乙烯吡咯烷酮溶于无水乙醇中，然后在搅拌下滴加无水乙醇、冰醋酸、去离子水的混合物，形成均匀透明的溶胶后进行静电纺丝；静电纺丝时，将所述溶胶加入静电纺丝装置，调节电压为25 KV，喷丝头到锡箔的距离为15 cm，每小时喷溶胶2ml，得PVP/TiO₂纤维；将PVP/TiO₂纤维置于管式加热炉，300 ℃空气氛焙烧2 h，N₂保护下，700 ℃焙烧1 h，制得N,C掺杂的TiO₂纳米纤维；上述制备溶胶时各组分的用量摩尔比为：n（钛酸丁酯）:n（无水乙醇）:n（冰醋酸）:n（去离子水）:n（聚乙烯吡咯烷酮）=1:20~40:1~2.5:2~6:0.1~0.2；（2）将N,C掺杂的TiO₂纳米纤维按20~50 mg/ml的比例加入到去离子水中，超声分散均匀，得N,C掺杂的TiO₂纳米纤维分散液；（3）将PdCl₂溶解到去离子水中，形成5~10mg Pd/ml的PdCl₂/去离子水溶液；（4）将NiSO₄溶解到去离子水中，形成2~4mg Ni/ml的NiSO₄ /去离子水溶液；（5）按最后合成的催化剂中Pd@Ni的质量含量为3~5%、摩尔比n（Pd）:n（Ni）=1:2的比例分别量取PdCl₂/去离子水溶液和Ni SO₄/去离子水溶液；（6）将步骤（5）量好的Ni SO₄/去离子水溶液滴加到超声分散均匀的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维分散液中，得分散液；（7）将NaOH溶解到去离子水中，配制成NaOH浓度为2mol/L的NaOH去离子水溶液；（8）将上述NaOH去离子水溶液滴加到步骤（6）制得的分散液中，调节pH值为8.5~12，得悬浮液；（9）将KBH₄溶解到去离子水中配制成KBH₄浓度为0.2~0.5 mol/L的KBH₄/去离子水溶液；（10）在搅拌、惰性气体保护、80~90℃下，向步骤（8）得到的悬浮液中滴加KBH₄/去离子水溶液，反应2~6小时；（11）反应完毕后过滤，去离子水洗涤至滤出液中无硫酸根离子，80~120℃真空干燥，得负载Ni的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维；（12）将步骤（11）制得的负载Ni的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维按20~50 mg/ml的比例加入到去离子水中，超声分散均匀，得负载Ni的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维分散液；（13）搅拌、惰性气体保护、室温下将步骤（5）量好的PdCl₂/去离子水溶液滴加到超声分散均匀的负载Ni的N,C掺杂的TiO₂纳米纤维分散液中，反应2~6小时；（14）反应完毕后过滤，去离子水洗涤至滤出液中无氯离子，80~120℃真空干燥，得催化剂。