一种铂网担载氧化铂电极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种铂网担载氧化铂电极材料及其制备方法，所述铂网担载氧化铂电极材料的结构包括基底铂网(1)和PtO

说明书

技术领域

本发明涉及一种铂网担载氧化铂电极材料及其制备方法，属于电催化领域。

背景技术

原电池因具有高能效、低排放等优点，被认为是21世纪为能源经济可持续发展提供有力支持的发电技术。而性能良好的电极至关重要，它决定着大电流密度放电时的电池性能、运行寿命及成本。所以，电极性能的好坏是关系到原电池进一步商业化的重要因素。

原电池中电极可分为阴极电极和阳极电极，广泛研究和应用的原电池阳极电极主要以Pt作为活性组分。为了降低电极成本，一系列的Pt二元，三元催化剂的体系也都得到了广泛的研究，目前，Pt-Ru/C催化剂是研究最为成熟、应用最广的阳极催化剂[M.A.Raso,I.Carrillo,E.Mora,E.Navarro,M.A.Garcia,T.J.Leo.Electrochemical study ofplatinum deposited by electron beam evaporation forapplication as fuel cell electrodes[J].international journal of hydrogen energy2014,39:5301-5308]。此外，Pt-Pd/C、Pt-WO₃/C、Pt-Mo/C和Pt-Sn/C也有很好的电催化性能[Kadirgan,F.,A.Kannan,T.Atilan,et al.,Carbon supported nano-sizedPt-Pd and Pt-Cofor proton exchange membrane fuel cells[J].Int.J.Hydrogen Energy,2009,34(23):9450-9460]。PtO₂是有机合成中氢化和氢解反应的催化剂，优良的吸氢材料自身无催化活性，但遇氢离子后，可转变为有催化活性的铂黑，利用该材料的这一特性作为原电池的阳极活性组分，配合Pt阴极电极，在原电池中发生如下反应：

阴极：H₂→2H++2e^-

阳极：2H++2e^-+PtO₂→PtO+H₂O

因此，采用PtO₂为阳极活性组分，有望提高阳极电极催化效率，降低成本。

目前，制备原电池电催化剂的方法可分为为化学法与物理法[3]。但是，为获得较大的比表面积，目前催化剂都是纳米颗粒材料，这就使用电催化剂存在两个问题，从而影响电极电催化活性；其一，纳米颗粒易团聚；其二，目前电催化剂的制备技术多采用化学法，而化学法的可控性与重复性较差，不适合于大规模重复性生产。根据相关文献，目前制备纳米催化剂的方法多为化学法，还未见采用铂浆烧结法在Pt网上担载PtO₂粉制备电极的相关报道。而铂浆烧结法具有制备过程简单、制成的Pt电极与敏感元件粘合性比较好，成本较低，是商业用多孔Pt电极的主要制备方法。

基于以上存在的问题，本发明人提出了一种纳米型多孔结构PtO₂电极及其浆料烧结的制备方法，该方法不仅简便、易操作，而且保证上述产品具备催化活性高、耐蚀性强、寿命长等优点，为原电池催化剂改性方法及电极制备技术提供新的方向，推进原电池的商业化进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铂网担载氧化铂电极材料及其制备方法，所述PtO₂电极催化活性高、耐蚀性强、使用寿命长等优点，为原电池催化剂改性方法及电极制备技术提供新的方向，本发明的另一目的在于提供一种获得上述铂网担载氧化铂电极材料的制备方法。

为实现第一目的，所述铂网担载氧化铂电极材料的结构包括基底铂网(1)和PtO₂活性层(2)。所述基底铂网(1)铂网目数为60～80目，丝直径0.09mm～0.12mm，纯度≥99.9％；PtO₂活性层(2)中PtO₂颗粒的粒径范围在300nm～2000nm，PtO₂活性层厚度在0.01mm～0.05mm之间，Pt含量≥80.00％。

本发明的另一目的是这样实现的，所述铂网担载氧化铂电极材料采用浆料烧结的方法制备，具体制备方法包括如下步骤：

(1)基底铂网的处理：以纯度≥99.9％，丝直径0.09mm～0.12mm，目数为60～80目的铂网为基底，用丙酮和乙醇交替超声清洗后，用离子束预溅射清洗，离子束预溅射清洗中，本底真空优于10^-4Pa，溅射时惰性气体工作气压为1x10^-2Pa至4x10^-2Pa。

(2)氧化铂浆料的制备：取粉末粒径范围在250nm～1500nm的PtO₂粉末和导电高分子有机载体，按PtO₂浆料中Pt的固含量为70％～90％的比例混合，研磨制备得到PtO₂浆料，研磨时间10-25min。

(3)氧化铂电极的组装:采用丝网印刷的方法将PtO₂浆料附着于铂网上，PtO₂活性层厚度在0.01mm～0.05mm之间,。

(4)电极的热处理：对担载PtO₂浆料的铂网进行热处理，热处理温度为400～550℃，热处理时间15～30min。

本发明通过浆料烧结的方法，制备出了一种纳米型多孔结构PtO₂电极。该方法不仅简便、易操作，而且能保证PtO₂电极具备催化活性高、耐蚀性强、寿命长等优点，为原电池催化剂改性方法及电极制备技术提供新的方向，推进原电池的商业化进程。

附图说明

图1为本发明PtO₂粉末的SEM图；

图2为本发明担载PtO₂浆料前后的铂网的SEM图。

图3为本发明PtO₂电极不同温度热处理后的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

所述铂网担载氧化铂电极材料的结构包括基底铂网(1)和PtO₂活性层(2)。所述基底铂网(1)铂网目数为60～80目，丝直径0.09mm～0.12mm，纯度≥99.9％；PtO₂活性层(2)中PtO₂颗粒的粒径范围在300nm～2000nm，PtO₂活性层厚度在0.01mm～0.05mm之间，Pt含量≥80.00％。

所述铂网担载氧化铂电极材料采用浆料烧结的方法制备，具体制备方法包括如下步骤：

(1)基底铂网的处理：以纯度≥99.9％，丝直径0.09mm～0.12mm，目数为60～80目的铂网为基底，用丙酮和乙醇交替超声清洗后，用离子束预溅射清洗，离子束预溅射清洗中，本底真空优于10^-4Pa，溅射时惰性气体工作气压为1x10^-2Pa至4x10^-2Pa。

(2)氧化铂浆料的制备：取粉末粒径范围在250nm～1500nm的PtO₂粉末和导电高分子有机载体，按PtO₂浆料中Pt的固含量为70％～90％的比例混合，研磨制备得到PtO₂浆料，研磨时间10-25min。

(3)氧化铂电极的组装:采用丝网印刷的方法将PtO₂浆料附着于铂网上，PtO₂活性层厚度在0.01mm～0.05mm之间。；

(4)电极的热处理：对担载PtO₂浆料的铂网进行热处理，热处理温度为400～550℃，热处理时间15～30min。

下面结合具体实施例对本发明中铂网担载氧化铂电极材料的制备方法进行具体说明。

实施例1

本发明所述铂网担载氧化铂电极材料通过如下步骤制得：

(1)基底材料的处理：以纯度≥99.9％，丝直径0.09mm，目数为80目的铂网为基底，用丙酮和乙醇交替超声清洗后，用离子束预溅射清洗，离子束预溅射清洗中，本底真空为6x10^-4Pa，溅射时惰性气体工作气压为2x10^-2Pa。

(2)氧化铂浆料的制备：取粉末粒径范围在250nm～1700nm的PtO₂粉末和导电高分子有机载体，按PtO₂浆料中Pt的固含量为70％的比例混合，研磨制备得到PtO₂浆料，研磨时间25min。

(3)氧化铂电极的组装:采用丝网印刷的方法将PtO₂浆料附着于铂网上；PtO₂活性层厚度在0.02mm～0.035mm之间。

(4)电极的热处理：对担载PtO₂浆料的铂网进行热处理，热处理温度为450℃，热处理时间20min。

实施例2

与实施例1不同之处在于，(1)以纯度≥99.9％，丝直径0.11～0.12mm，目数为60～70目的铂网为基底。(2)氧化铂电极的组装中，PtO₂活性层厚度在0.025mm～0.04mm之间。(3)电极的热处理温度为550℃，热处理时间15min。

比较例1

与实施例1不同之处在于，(1)氧化铂电极的组装中，PtO₂活性层厚度在0.005mm～0.01mm之间；(2)电极的热处理温度为350℃，热处理时间30min。。

通过SEM表征手段对使用上述方法制备的铂网担载氧化铂电极材料进行结构评价；具体地，通过SEM分析铂网担载氧化铂涂层厚度，表面微观形貌，表面颗粒尺寸。