一种制备直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法技术领域
本发明涉及属于燃料电池催化剂领域，具体涉及一种制备直接醇类燃料电池阳极
电催化剂的方法。
背景技术
目前环境污染问题日益突出，开发清洁、高效和可循环的新能源迫在眉睫。质子交
换膜燃料电池因为其无污染，并且具有高效的发电性能引起了人们的研究兴趣。而直接醇
类燃料电池作为质子交换膜燃料电池的其中一种，同样在发电方面具有无污染、无噪音和
能量转化效率高等优点。但是目前催化剂的主要成分为贵金属铂，其高成本和低寿命两大
问题在一定程度上限制了燃料电池的大范围推广，而载体的选择在很大程度上影响催化性
能。目前的催化剂载体Vulcan XC-72、稀土氧化物、新型碳材料包括纳米碳纤维、碳纳米管、
碳纳米卷等，在一定程度上解决了阳极催化剂成本高和易中毒的问题。
目前常用的催化剂制备方法有化学还原法，电化学沉积法和溶胶-凝胶法等。化学
还原法操作简单可大规模生产，但是由于金属的形成是在液相中和载体表面进行，金属晶
核在载体表面上随机形成催化剂颗粒，因此在制备过程中容易出现分布不均匀现象；并且
还原剂和有机溶剂会降低催化剂载体与纳米粒子结合界面的活性，因此制备出的复合材料
性能不高。电化学沉积法制备催化剂纳米颗粒具有可控、易操作和绿色环保等优点，在催化
剂制备方面应用越来越广泛，但所制得的复合材料金属纳米粒子没有渗入催化剂载体中，
主要沉积在表面导致性能不可靠。溶胶-凝胶法是制备薄膜涂层材料非常有效的一种方法，
反应温度较低，容易进行，但是溶胶成形的过程中干扰因素较多，易发生胶粒团聚等现象。
通过静电纺丝技术制备纳米纤维，有利于增大催化剂的比表面积和催化效率。目
前的研究向着制备具有排列规整纤维，取向纤维、纳米线以及纤维成网和成纤结构的可控
制等方面发展。这种特殊结构的纳米纤维在生物医学工程、特殊定向超疏水表面结构设计
以及特殊光、电性能方面均表现出独特的优势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种操作简单、工作效果佳的制
备直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种制备直接醇类燃料电池阳
极电催化剂的方法，其创新点在于：将含有催化剂的电纺液吸入注射器中，进行静电纺丝，
注射器的针尖与直流高压电源正极相连，距离针尖竖直方向10-20cm处放置与直流高压负
极相连的旋转型收集极板，施加0-50kV电压，注射器推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺
液在高压电场和溶液自身重力作用下从注射器针尖处喷出，形成泰勒锥，喷射在旋转型收
集板上，形成阳极电催化剂膜，所述静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h；
所述电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高
分子材料、催化剂载体的溶液，所述电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的
一种，所述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，所述催化剂载体为
Vulcan XC-72、稀土氧化物、新型碳材料中的一种，所述新型碳材料为纳米碳纤维、碳纳米
管、碳纳米卷中的一种，所述催化剂载体加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺
液浓度为10wt%-18wt%，所述高分子材料的加入量为5wt%-8wt%，所述催化剂载体和金属化
合物按质量比为1:9-100。
进一步的，所述电纺液中添加Pt、Sn、Ru所属金属化合物中两种或三种金属组合
物。
进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn=1-4:1。
进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Ru=1-4:1。
进一步的，所述电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn：Ru=1-3:1-3:1。
进一步的，所述旋转型收集板选用不锈钢管状、铜管状、铝管状结构中的一种，所
述旋转型收集板的直径范围为40-60mm，所述旋转型收集板的长度范围为1000-1600mm，所
述旋转型收集板的转速为100-2000r/min。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法，制备出来的阳极催化剂是膜状
结构并且均匀分布，简化了传统的粉末状结构，简化了传统工艺中复杂的涂覆制备催化层
的步骤，与以往的燃料电池阳极催化剂具有明显的优点，简便了电池组装。
（2）本发明的直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法，直接以Vulcan XC-72、稀土
氧化物、新型碳材料中的一种，所述新型碳材料为纳米碳纤维、碳纳米管、碳纳米卷中的一
种为催化剂载体，加入金属化合物，通过特定操作和步骤，大幅度提高了催化剂催化氧化醇
的活性、稳定性和抗中毒能力。
（3）本发明的直接醇类燃料电池阳极专用催化剂的制备方法，采用传统静电纺丝
技术制备催化剂的过程中，电纺液制备时采用水浴搅拌反应方式，反应温度较低，操作简
便。
附图说明
图1为本发明的静电纺丝装置结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明
书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图1所示，一种制备直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法，将电纺液吸入注射
器2中，进行静电纺丝，注射器2的针尖与直流高压电源正极1相连，距离针尖竖直方向10-
20cm处放置与直流高压负极相连的旋转型收集极板3，施加0-50kV电压，注射器2在注射泵4
的压力下推进速度为0.002-0.01mm/s，并使电纺液在高压电场和溶液自身重力作用下从注
射器2针尖处喷出，形成泰勒锥5，同时，调控注射泵在横向导轨6上的移动速度，喷射在旋转
型收集板3上，均匀地形成阳极电催化剂膜，静电纺丝过程温度为30-50℃，纺丝时间为8h，
注射器2的规格为2ml、5ml、10ml三种，旋转型收集板3选用不锈钢管状、铜管状、铝管状结构
中的一种，旋转型收集板3的直径范围为40-60mm，旋转型收集板3的长度范围1000-1600mm，
旋转型收集板3的转速为100-2000r/min，注射泵上端部设置有横向导轨6，注射器2在注射
泵4带动下可以随注射泵一起沿着旋转接收器的轴向方向往复移动，从而保障旋转型收集
极板的整个表面接收到的阳极电催化剂膜厚度均匀。
电纺液是添加有Pt、Sn、Ru所属金属化合物氯铂酸、五水四氯化锡、三氯化钌、高分
子材料、催化剂载体的溶液，电纺液的溶剂为二甲基-甲酰胺溶液、乙二醇溶液中的一种，所
述电纺液中的高分子材料为聚丙烯腈、Nafion液中的一种，催化剂载体为Vulcan XC-72、稀
土氧化物、新型碳材料中的一种，新型碳材料为纳米碳纤维、碳纳米管、碳纳米卷中的一种，
催化剂载体加入量的质量百分数为0.08wt%-0.5wt%，保证电纺液浓度为10wt%-18wt%，高分
子材料的加入量为5wt%-8wt%，催化剂载体和金属化合物按质量比为1:9-100。
电纺液中添加Pt、Sn、Ru所属金属化合物中两种或三种金属组合物。
可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn=1-4:1。
可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Ru=1-4:1。
可行的，电纺液中添加金属的原子比为Pt：Sn：Ru=1-3:1-3:1。
实施例1
电纺液中添加10mg Vulcan XC-72的PtSn阳极催化剂制备方法：
10mg的Vulcan XC-72加入9g N，N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，得到分散均匀的
Vulcan XC-72-DMF混合液，取0.71g聚丙烯腈放入Vulcan XC-72-DMF混合液中，磁力搅拌1h
并保证温度60℃，加入0.115g SnCl4•5H2O和0.34g氯铂酸，置于磁力搅拌器上继续搅拌2h并
保证温度为60℃，直至全部溶解变为溶胶。选取接收距离为16cm，推进速度0.002mm/s，施加
20kV的电压进行静电纺丝。接收装置为旋转型收集极板，转速范围为1000r/min-1500r/
min，纺丝时间为8h。本实施例纺出的阳极电催化剂膜表面光滑，粗细均匀，平均直径为210-
350nm。
实施例2
电纺液中添加20mg Vulcan XC-72的PtSn阳极催化剂制备方法：
20mg的Vulcan XC-72加入9g N，N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，得到分散均匀的
Vulcan XC-72-DMF混合液，取0.71g聚丙烯腈放入Vulcan XC-72-DMF混合液中，磁力搅拌1h
并保证温度60℃，加入0.115g SnCl4•5H2O和0.34g氯铂酸，置于磁力搅拌器上继续搅拌2h并
保证温度为60℃，直至全部溶解变为溶胶，选取接收距离为16cm，推进速度0.002mm/s，施加
25kV的电压进行静电纺丝，接收装置为旋转型收集极板，转速范围为1000r/min-1500r/
min，纺丝时间为8h。本实施例纺出的阳极电催化剂膜表面光滑，粗细均匀，平均直径为
200nm，本实施例纺出的阳极电催化剂膜膜经过后期处理后对乙醇的催化氧化性能较好。
实施例3
电纺液中添加50mg Vulcan XC-72的PtSn阳极催化剂制备方法：
50mg的Vulcan XC-72加入9g N，N-二甲基甲酰胺中，超声分散30min，得到分散均匀的
Vulcan XC-72-DMF混合液。取0.71g聚丙烯腈放入Vulcan XC-72-DMF混合液中，磁力搅拌1h
并保证温度60℃，加入0.115g SnCl4•5H2O和0.34g氯铂酸，置于磁力搅拌器上继续搅拌2h并
保证温度为60℃，直至全部溶解变为溶胶，选取接收距离为16cm，推进速度0.002mm/s，施加
30kV的电压进行静电纺丝，接收装置为旋转型收集极板，转速范围为1000r/min-1500r/
min，纺丝时间为8h。本实施例纺出的阳极电催化剂膜表面光滑，粗细均匀，平均直径为
250nm。
实施例4
电纺液中添加20mg碳纳米管的PtRu阳极催化剂制备方法：
对碳纳米管进行硝酸和硫酸处理干燥后取20mg的碳纳米管加入9g N，N-二甲基甲酰胺
中，超声分散30min，得到分散均匀的碳纳米管-DMF混合液，取0.71g聚丙烯腈放入碳纳米
管-DMF混合液中，磁力搅拌1h并保证温度60℃，加入0.33g RuCl3·3H2O和0.41g氯铂酸，置
于磁力搅拌器上继续搅拌2h并保证温度为60℃，直至全部溶解变为溶胶，选取接收距离为
16cm，推进速度0.002mm/s，施加20kV的电压进行静电纺丝，接收装置为旋转型收集极板，转
速范围为1000r/min-1500r/min，纺丝时间为8h，本实施例纺出的阳极电催化剂膜表面光
滑，粗细均匀，平均直径为250nm；原子比接近Pt：Ru=1：1。
实施例5
电纺液中添加10mg碳纳米管的PtSnRu阳极催化剂制备方法：
对碳纳米管进行硝酸和硫酸处理干燥后取10mg的碳纳米管加入9.5g N，N-二甲基甲酰
胺中，超声分散30min，得到分散均匀的碳纳米管-DMF混合液，取0.71g聚丙烯腈放入石墨
烯-DMF混合液中，磁力搅拌1h并保证温度60℃，加入0.46g SnCl4·5H2O、0.17g RuCl3·
3H2O和0.34g氯铂酸，置于磁力搅拌器上继续搅拌2h并保证温度为60℃，直至全部溶解变为
溶胶。选取接收距离为16cm，推进速度0.002mm/s，施加15kV的电压进行静电纺丝。接收装置
为旋转型收集极板，转速范围为1000r/min-1500r/min，纺丝时间为8h，本实施例纺出的阳
极电催化剂膜表面光滑，粗细均匀，平均直径为400nm，原子比接近Pt：Sn：Ru=1：2：1。
本发明的直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法，制备出来的阳极催化剂是膜状
结构并且均匀分布，简化了传统的粉末状结构，简化了传统工艺中复杂的涂覆制备催化层
的步骤，与以往的燃料电池阳极催化剂具有明显的优点，简便了电池组装。
本发明的直接醇类燃料电池阳极电催化剂的方法，以Vulcan XC-72、稀土氧化物、
新型碳材料包括纳米碳纤维、碳纳米管、碳纳米卷等为催化剂，加入金属化合物，通过特定
操作和步骤，大幅度提高了催化剂催化氧化醇的活性、稳定性和抗中毒能力。
本发明的直接醇类燃料电池阳极专用催化剂的制备方法，采用传统静电纺丝技术
制备催化剂过程中，电纺液制备时采用水浴搅拌反应方式，反应温度较低，操作简便。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是
不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利
的权利保护范围内。