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1、(10)申请公布号 CN 102744110 A (43)申请公布日 2012.10.24 C N 1 0 2 7 4 4 1 1 0 A *CN102744110A* (21)申请号 201210185592.X (22)申请日 2012.06.06 B01J 37/34(2006.01) B01J 23/42(2006.01) H01M 4/92(2006.01) (71)申请人中国科学院等离子体物理研究所 地址 230031 安徽省合肥市蜀山区蜀山湖路 350号 (72)发明人宋铭明 王奇 孟月东 (74)专利代理机构安徽合肥华信知识产权代理 有限公司 34112 代理人余成俊 (54)。
2、 发明名称 一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制 备方法 (57) 摘要 本发明公开了一种氢能发电的低温燃烧电池 电极催化剂制备方法，利用等离子体技术对作为 载体的碳纳米管表面进行改性修饰，利用气体放 电产生的活性基团在碳纳米管表面引入官能团， 用以络合后续过程中加入的贵金属前驱体，最后 利用低温等离子体进行还原，制备得到的贵金属 催化剂。本发明方法绿色、高效，并可避免使用有 毒的化学试剂。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 5 页 1/1页 2 1.一种氢能发电。
3、的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用三颈瓶、气源、机械泵、带 匹配器的射频电源，通过气源向三颈瓶中通入气体，通过机械泵控制三颈瓶中气压，通过射 频电源使三颈瓶中气体起辉放电，并通过匹配器将反馈信号调整为零，其特征在于：包括以 下步骤： （1）功能化碳纳米管：将碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈瓶内气 压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通入气体直到三颈瓶内气压达到15帕，接着设 定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内 气体起辉，气体起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入官能团的功能化碳纳米管； （2）浸渍贵金属前驱体：首先将。
4、步骤（1）得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中 并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7.5mL 浓度为7.53mg/mL的贵金属酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、贵金属酸溶液 混合而成的混合溶液放入超声仪中超声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶 液置于真空干燥箱中以40 o C的温度干燥12小时，得到碳纳米管与贵金属前驱物的混合物； （3）等离子体还原：将步骤（2）中得到的碳纳米管与贵金属前驱物的混合物研磨后放 入500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通 入气体直到三颈瓶内气压达到20帕，。
5、接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使 得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电30分钟，最终得到制 备完成的贵金属催化剂。 2.根据权利要求1所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征 在于：步骤（1）和步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入的气体分别采用任意气体，其中步骤（1） 中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氮气，步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氢气。 3.根据权利要求1所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征 在于：所述步骤（2）中贵金属酸溶液为任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到 不同贵金属催化剂，优选贵金属的氯。
6、酸溶液。 权 利 要 求 书CN 102744110 A 1/3页 3 一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法 技术领域 0001 本发明涉及新能源电池电极催化剂制备方法领域，具体为一种氢能发电的低 温燃烧电池电极催化剂制备方法。 背景技术 0002 石油、天然气价格的逐步攀升，能源问题已经成为关系国计民生的重大问题。目 前，80%的能源消耗依靠化石燃料煤和石油。然而，传统的能源消耗存在以下弊端：我 国能源供需矛盾尖锐，结构不合理；传统的热机实现能量转换受到“卡诺循环”的限制，燃烧 相对于能源利用效率很低；不可再生的一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成严 重的环境污染。面对能源危机。
7、的严重挑战，寻找并开发新能源代替传统能源已经成为世界 各国的共识。在未来的能源系统中，氢能将是21世纪替代汽油、柴油、城市煤气等的清洁能 源。在氢能的利用上，科学家们找到了一种清洁、高效、安全、可移动、操作条件温和、且无污 染的利用氢能发电的装置低温燃料电池。这种装置的最大特点是反应过程不涉及燃烧， 因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60%80%，实际使用效 率则是普通内燃机的23倍。然而低温燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以贵金属铂 为主，制备成本很高成为限制其商业化的最主要的问题。因此，开发新型催化剂制备技术、 制备高活性、低铂载量催化剂，对于降低燃料电池成本意义。
8、重大。 发明内容 0003 本发明目的是提供一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，以解决现 有技术低温燃烧电池电极催化剂制备成本高的问题。 0004 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为： 一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用500mL三颈瓶、气源、机械 泵、带匹配器的射频电源，通过气源向三颈瓶中通入气体，通过机械泵控制三颈瓶中气压， 通过射频电源使三颈瓶中气体起辉放电，并通过匹配器将反馈信号调整为零，其特征在于： 包括以下步骤： （1）功能化碳纳米管：将500mg碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈 瓶内气压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通。
9、入气体直到三颈瓶内气压达到15帕， 接着设定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三 颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入官能团的功能化碳纳 米管； （2）浸渍贵金属前驱体：首先将步骤（1）得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中 并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7.5mL 浓度为7.53mg/mL的贵金属酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、贵金属酸溶液 混合而成的混合溶液放入超声仪中超声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶 液置于真空干燥箱中以40 o C的温度干燥12小时，。
10、得到碳纳米管与贵金属前驱物的混合物； 说 明 书CN 102744110 A 2/3页 4 （3）等离子体还原：将步骤（2）中得到的碳纳米管与贵金属前驱物的混合物研磨后放 入500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通 入气体直到三颈瓶内气压达到20帕，接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使 得反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内气体起辉，气体起辉后放电30分钟，最终得到制 备完成的贵金属催化剂。 0005 所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于：步骤 （1）和步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入的气体分别采用任意气体，其中步骤。
11、（1）中气泵向三 颈瓶内通入的气体优选氮气，步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入的气体优选氢气。 0006 所述的一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，其特征在于：所述步 骤（2）中贵金属酸溶液为任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到不同贵金属催 化剂，优选贵金属的氯酸溶液。 0007 本发明的优点是是，利用人为控制官能团的种类及数量，络合贵金属氯酸前驱物 的离子，达到调控催化剂负载量的效果。同时利用等离子体还原贵金属前驱物的方法，避 免使用有毒的化学试剂，且大大减少了贵金属的流失，可以高效、大规模的制备贵金属催化 剂。 附图说明 0008 图1是本发明采用的装置原理图。 0009 图。
12、2是所得样品的TEM图。 0010 图3是样品的XRD表征曲线图。 0011 图4是样品的XPS表征曲线图。 0012 图5是样品在酸性溶液中的电化学活性面积测试曲线图。 0013 图6是样品在酸性条件下甲醇溶液中的电催化性能测试曲线图。 具体实施方式 0014 如图1所示。一种氢能发电的低温燃烧电池电极催化剂制备方法，采用500mL三颈 瓶1、气源3、机械泵2、带匹配器5的13.56MHz的射频电源4，通过气源2向三颈瓶1中通 入气体，通过机械泵2控制三颈瓶1中气压，通过射频电源4使三颈瓶1中气体起辉放电， 并通过匹配器5将反馈信号调整为零，包括以下步骤： （1）功能化碳纳米管：将500mg。
13、碳纳米管放入500mL三颈瓶中，首先打开机械泵将三颈 瓶内气压抽至5帕以下，然后打开气源，向三颈瓶内通入氮气直到三颈瓶内气压达到15帕， 接着设定射频电源输出功率为60瓦，并调节匹配器使得反馈信号为0，通过射频电源使三 颈瓶内氮气起辉，氮气起辉后放电20分钟，在三颈瓶内得到表面引入含氧官能团的功能化 碳纳米管； （2）浸渍贵金属前驱体：首先将步骤（1）得到的功能化碳纳米管立刻放入30ml乙醇中 并用超声仪以60瓦的输出功率超声10分钟，待功能化碳纳米管均匀分散后再加入7.5mL 浓度为7.53mg/mL的氯铂酸溶液，然后将放入有功能化碳纳米管的乙醇、氯铂酸溶液混合 而成的混合溶液放入超声仪中超。
14、声30分钟后再静置24小时，最后将超声后的混合溶液置 于真空干燥箱中以40 o C的温度干燥12小时，得到碳纳米管与铂前驱物的混合物； 说 明 书CN 102744110 A 3/3页 5 （3）等离子体还原：将步骤（2）中得到的碳纳米管与铂前驱物的混合物研磨后放入 500mL三颈瓶中，打开机械泵将三颈瓶内气压抽至5帕以下，然后通过气源向三颈瓶内通入 氢气直到三颈瓶内气压达到20帕，接着设定射频电源输出功率为80瓦，并调节匹配器使得 反馈信号为0，通过射频电源使三颈瓶内氢气起辉，氢气起辉后放电30分钟，最终得到制备 完成的铂催化剂。 0015 步骤（1）和步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入的气体还。
15、可分别采用任意气体，其中 步骤（1）中气泵向三颈瓶内通入氮气、步骤（3）中气泵向三颈瓶内通入氢气为最优方案。 0016 步骤（2）中贵金属酸溶液为任意贵金属的酸溶液，根据贵金属不同可制备得到不 同贵金属催化剂，本实施例中贵金属酸溶液为氯铂酸溶液。 0017 本发明利用等离子体技术对作为载体的碳纳米管表面进行改性修饰，利用气体放 电产生的活性基团在碳纳米管表面引入官能团，用以络合后续过程中加入的贵金属前驱 体。放电气体的种类和参数（功率、时间）对官能团的性质及量有影响，从而对后续过程贵金 属前驱体的吸附强度以及数量可控。碳纳米管吸附贵金属前驱体后，利用低温等离子体进 行还原，还原的气体可以是任意。
16、气体。 0018 最后制备得到的铂催化剂样品的透射电子显微镜照片如图2所示，铂纳米颗粒均 匀的沉积在碳纳米管表面。如图3所示的XRD表征表明铂颗粒以面心立方结构存在。如 图4所示的XPS表明Pt的价态主要以零价存在。取10mg样品加入1mL的异丙醇溶液中超 声10分钟，涂覆在清洗好的碳纸表面制成工作电极，待干燥后放入三电极体系，在除氧的 1.0M硫酸溶液中以50mV/s进行循环伏安扫描，如图5所示，结果表明所得的电化学活性面 积为137.9m 2 /g。该电极在除氧的0.5M硫酸加1.0M甲醇溶液中以50mV/s进行循环伏安扫 描，如图6所示，结果表明催化剂有很好的催化活性及抗中毒性能。 说 明 书CN 102744110 A 1/5页 6 图1 说 明 书 附 图CN 102744110 A 2/5页 7 图2 说 明 书 附 图CN 102744110 A 3/5页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102744110 A 4/5页 9 图5 说 明 书 附 图CN 102744110 A 5/5页 10 图6 说 明 书 附 图CN 102744110 A 10 。