碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂、膜电极及制备方法和应用

本发明涉及燃料电池膜电极，且特别涉及一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂、膜电极及制备方法和应用。

背景技术：

1、化石燃料的使用带来了能源危机和环境问题，因此，清洁、不受卡诺循环限制的质子交换膜燃料电池（pemfc）的发展日益受到人们的关注。但是由于氢气不易储存和运输，由甲醇作为氢气的代替燃料的直接甲醇燃料电池（dmfc）被广泛研究。铂（pt）已经被证明是dmfc阳极甲醇氧化（mor）性能最好的催化剂。

2、传统的燃料电池膜电极制备方法如ccs、ccm等虽然制备工艺较为简单成熟，但是仍存在一些缺点。ccs技术在制备时有利于气孔形成，但是催化剂容易渗透进气体扩散层中，导致催化剂的浪费，且催化剂层和质子交换膜之间的结合力也通常较差，界面阻抗大，传质阻力大。ccm法虽然可以有效提高催化剂利用率，大幅度降低膜与催化剂层（cl）之间的质子传递阻力，但是由于ccm方法制备的膜电极组件（mea）的催化层中没有疏水剂，气体通道比较少，因而气、水传输阻力较大，燃料电池运行过程中容易发生水淹现象。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂，该催化剂传质阻力小、催化活性高。

2、本发明的另一目的在于提供一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂的制备方法，采用化学气相沉积法在碳纸基底上原位生长碳纳米管后采用化学还原法原位生长铂纳米粒子或铂纳米线阵列，得到碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂，该方法制备工艺简单、制备周期短。

3、本发明的第三个目的在于提供一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极的制备方法，该方法操作简单且参数可控，便于工业化大规模生产。

4、本发明的第四个目的在于提供一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极，该膜电极具有较好的电化学性能。

5、本发明的第五个目的在于提供碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂在制备电催化剂或燃料电池中的应用。

6、本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

7、本发明提出一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂，包括所述碳纸基底以及所述碳纸基底上原位生长的所述碳纳米管，所述碳纳米管上负载有铂纳米粒子或铂纳米线阵列。

8、本发明提出一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、利用化学气相沉积法在碳纸基底上原位生长碳纳米管，得到碳纸原位生长碳纳米管；

10、s2、在三电极体系中，以所述碳纸原位生长碳纳米管为工作电极，苯胺的硫酸溶液为电解液，在所述碳纸原位生长碳纳米管表面电化学聚合苯胺，得到聚苯胺包裹的碳纸原位生长碳纳米管；

11、s3、所述聚苯胺包裹的碳纸原位生长碳纳米管、氯铂酸、氯化镍、去离子水和甲酸反应后，得到碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂。

12、本发明提出一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极的制备方法，包括以下步骤：

13、分别将两片所述的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂负载催化剂的一侧与质子交换膜接触，热压后得到碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极。

14、本发明提出一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极，其根据所述的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极的制备方法制得。

15、本发明提出所述的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂在制备电催化剂或燃料电池中的应用。

16、本发明实施例的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂、膜电极及制备方法和应用的有益效果是：

17、本发明在碳纸表面进行化学气相沉积原位生长碳纳米管，然后通过化学还原法原位生长铂纳米粒子或铂纳米线阵列，即可得到碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂，制备工艺简单且制备周期短。该催化剂可直接与质子交换膜热压制备膜电极用于燃料电池。此外，由燃料电池膜电极的基本组成部件之一碳纸为基底直接化学还原原位生长催化剂，较传统方法制备的膜电极具有贵金属催化剂用量少，利用率高，传质阻力小等显著优点。

18、本发明制备的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂具有有序阵列的形貌，在反应过程中可以起到有效提高传质效率的作用，可以有效提高反应活性，因此本发明所制备的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂具有优良的小分子氧化活性，除运用在燃料电池领域以外，还可以运用于负载贵金属催化剂反应器以及实际电催化反应中。

技术特征：

1.一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂，其特征在于，包括碳纸基底以及所述碳纸基底上原位生长的碳纳米管，所述碳纳米管上负载有铂纳米粒子或铂纳米线阵列。

2.一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述采用化学气相沉积法在碳纸基底上原位生长碳纳米管以ti纳米粒子和ni纳米粒子为催化剂，氩气为惰性气体，氨气为催化剂活性气体，乙烯为碳源，其步骤包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述升温的速度为1～10℃/min，所述氩气的流速为20～200sccm，所述氨气的流速为50～200sccm，所述乙烯的流速为10～100sccm。

5. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述三电极体系以铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，所述苯胺的硫酸溶液中，苯胺的摩尔浓度为0.5~5mmol/l，硫酸的摩尔浓度为0.1~1 mol/l，所述电化学聚合采用循环伏安法，所述循环伏安法的上限电位为0.75～1v（vs. sce），下限电位为0～0.1v（vs. sce），循环圈数为1～5圈。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述反应的温度为35~45℃，反应时间为22~26h。

7.一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8. 根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为110～140℃，热压压力为5～10 mpa，热压时间为90～300s。

9.一种碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂膜电极，其特征在于，根据权利要求7或8任意一项所述的制备方法制得。

10.权利要求1所述的碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂在制备电催化剂或燃料电池中的应用。

技术总结本发明提供碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子或铂纳米线阵列催化剂、膜电极及制备方法和应用。该催化剂包括碳纸基底以及碳纸基底上原位生长的碳纳米管。其中，在碳纳米管上负载有铂纳米粒子或铂纳米线阵列。本发明以碳纸作为基底通过化学气相沉积法原位生长碳纳米管，然后将制得的碳纸原位生长碳纳米管作为基底通过化学还原法在铂盐溶液中以还原剂还原制备碳纸原位生长碳纳米管后负载铂纳米粒子催化剂或铂纳米线催化剂。该催化剂可直接与质子交换膜热压制备膜电极用于燃料电池，较传统方法制备的膜电极具有贵金属催化剂用量少，利用率高，传质阻力小等显著优点。技术研发人员：黄蕊,纪睿一,甄春花,孙世刚受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12