CN102641733A - 制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，Pt/CNTs材料的制备包括如下步骤：采用碳纳米管作为催化剂载体，按质量比例1:1~4:1称量一定量的碳纳米管和有机金属铂化合物，然后进行混匀，再进行加热，加热时间为10～30秒钟，加热温度为250～400℃，使有机金属铂化合物在碳纳米管表面受热分解，形成具有催化活性的Pt粒子，均匀负载在碳纳米管表面，得到Pt/CNTs催化剂材料。本发明采用简单、高效的加热技术，操作方法非常简单新颖可行，在碳管表面，有机金属铂化合物受热完全分解，金属利用率极高，有利于降低成产成本，得到的活性Pt粒子大小均一，并且在碳纳米管载体表面分布均匀，具有优秀的催化活性。

Description

制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法
技术领域
本发明涉及一种Pt基催化剂材料的方法，属于纳米无机材料及电化学材料领域。
背景技术
Pt基催化剂在电化学领域有着十分广泛的应用，尤其是在直接甲醇燃料电池中，受到众多科研工作者的重视。随着21世纪经济的不断发展，能源瓶颈问题愈发变得突出，对新能源的研究也变的愈发紧迫，直接甲醇燃料电池拥有结构简单、比能量密度高、燃料补充方便等优点，也愈发受到关注，具有高效催化活性、制备简单、成本较低的Pt催化剂材料，理所当然受到重视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，以解决现有技术中存在的上述问题，本发明利用一种简单可行的操作方法，将金属Pt负载在碳纳米管（CNTs）上，得到具有高催化活性的Pt/CNTs催化剂材料。该方法操作简单，原始碳纳米管物理性能优异，所制备的催化剂中，Pt粒子大小比较均一，在碳纳米管表面分布均匀，具有良好的热稳定性，并具有优异的催化活性。
一种制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，Pt/CNTs材料的制备包括如下步骤：
采用碳纳米管作为催化剂载体，按质量比例为1:1~4:1称量一定量的碳纳米管和有机金属铂化合物，然后进行混匀，再进行加热，加热时间为10~30秒钟，加热温度为250~400℃，使有机金属铂化合物在碳纳米管表面受热分解，形成具有催化活性的Pt粒子，均匀负载在碳纳米管表面，得到Pt/CNTs催化剂材料。
本发明优选碳纳米管和有机金属铂化合物混匀后的加热时间为15~18秒钟，加热温度为265～400℃。
本发明优选的加热方法为微波固相-蒸气反应方法。
本发明碳纳米管为单壁纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或任意几种混合物。
本发明优选的一种简单、高效制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，将按比例称量的碳纳米管和有机金属铂化合物的混合物放入玻璃样品瓶中混合均匀，将样品瓶放入微波炉内微波加热处理。由于碳纳米管吸收微波迅速升温，有机金属铂化合物在碳纳米管表面受热分解，形成具有催化活性的Pt粒子，均匀负载在碳纳米管表面，得到Pt/CNTs催化剂材料。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
在制备Pt/CNTs催化剂材料过程中采用简单、高效的加热技术，操作方法非常简单新颖可行，在碳管表面，有机金属铂化合物受热完全分解，金属利用率极高，有利于降低成产成本，得到的活性Pt粒子大小均一，并且在碳纳米管载体表面分布均匀，具有优秀的催化活性。
附图说明
图1是本发明实施例一制备的Pt/MWCNTs材料的高倍透射电子显微镜（HR-TEM）数据。
图2是本发明实施例一制备的Pt/MWCNTs材料的X射线能谱（EDS）分析图。
图3是本发明实施例一制备的Pt/MWCNTs材料的X射线衍射（XRD）衍射图。
图4是本发明实施例二制备的Pt/MWCNTs材料的高倍透射电子显微镜（HR-TEM）数据。
图5是本发明实施例三制备的Pt/MWCNTs材料的高倍透射电子显微镜（HR-TEM）数据。
图6是本发明实施例四制备的Pt/MWCNTs材料的高倍透射电子显微镜（HR-TEM）数据。
具体实施方式
结合附图实验数据，对本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
本实施例制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法：按质量比2:1称量80mg多壁碳纳米管、40mg乙酰丙酮铂，放在玻璃样品瓶中混合均匀。将样品瓶放入微波炉内微波处理15秒钟，加热温度为265℃，由于多壁碳纳米管吸收微波迅速升温，乙酰丙酮铂在碳纳米管表面受热分解，得到具有催化活性的Pt/WMCNTs材料。由于多壁碳纳米管吸收微波迅速升温，乙酰丙酮铂在多壁碳纳米管表面受热分解，形成具有催化活性的Pt粒子，均匀负载在多壁碳纳米管表面，得到Pt/WMCNTs催化剂材料。
图1为本实施例制备的Pt/MWCNTs材料高倍透射电子显微镜（HR-TEM）照片，从图中可以看出金属Pt粒子成功负载在多壁碳纳米管表面，活性Pt粒子尺寸大小比较均一，并且在碳纳米管载体表面分布均匀，可以保证Pt/MWCNTs催化剂材料具有优秀的催化活性。图2为本实施例制备的Pt/MWCNTs材料的X射线能谱（EDS）分析图，数据显示金属Pt成功负载在多壁碳纳米管上。图3为本发明所得Pt/MWCNTs材料的X射线衍射（XRD）衍射图，图中对应于PDF卡中04-0802 Platinum-Pt的（1 1 1），（2 0 0），（2 2 0）和（3 1 1）晶面，显示多壁碳纳米管上负载的金属Pt粒子。本实施例采用微波固相-蒸气反应方法，操作方法非常新颖简单。整个生成过程时间短，能耗极低。
本实施制备高催化活性Pt/MWCNTs材料制备过程中，由于是有机金属铂化合物的受热分解，贵金属利用率极高。催化剂载体采用碳纳米管，具有优良的物理特性，如高比表面积和导电性能，有助于提高催化剂负载量及电子的传输。经产率计算，金属Pt的利用率达到96%以上，对甲醇的电氧化能力高达398A/g（Pt）。
对比例：取30mg MWCNTs、60mg 4、4-联吡啶与5ml DMF充分混合；取0.5M NaOH、 100mgH2PtCl6·6H2O 与25mL 乙二醇充分混合；将上述两种溶液混合均匀后，在150℃氮气保护下反应6h，得到的产物超纯水洗涤3次后，80℃干燥12h，得到Pt/MWCNT催化剂。
测试结果表明，采用该溶液法制备的Pt/MWCNTs，Pt粒子大小3nm左右，虽然本对比例制备的Pt/WMCNTs材料的Pt负载量为20%，但负载不均匀，在MWCNTs表面容易发生团聚，影响催化剂本身性能。
实施例二：
本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：
按质量比不同1:1称量多壁碳纳米管、乙酰丙酮铂，进行反应，得到具有催化活性的Pt/WMCNTs材料。本实施例制备的Pt/WMCNTs材料的Pt负载量为33%。 
图4为本实施例制备的Pt/MWCNTs材料高倍透射电子显微镜（HR-TEM）照片，从图中可以看出金属Pt粒子成功负载在多壁碳纳米管表面，活性Pt粒子尺寸大小比较均一，并且在碳纳米管载体表面分布均匀。
实施例三：
本实施例与前述实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：
按质量比不同3:1称量多壁碳纳米管、乙酰丙酮铂，进行反应，加热时间为15秒钟，得到具有催化活性的Pt/WMCNTs材料。本实施例制备的Pt/WMCNTs材料的Pt负载量为14%。
图5为本实施例制备的Pt/MWCNTs材料高倍透射电子显微镜（HR-TEM）照片，从图中可以看出金属Pt粒子成功负载在多壁碳纳米管表面，活性Pt粒子尺寸大小比较均一，并且在碳纳米管载体表面分布均匀。
实施例四：
本实施例与前述实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：
按质量比不同4:1称量多壁碳纳米管、乙酰丙酮铂，进行反应，加热时间为15秒钟，得到具有催化活性的Pt/WMCNTs材料。本实施例制备的Pt/WMCNTs材料的Pt负载量为11%。
如图6所示，乙酰丙酮铂与多壁碳纳米管反应较为充分，并能得到Pt/WMCNTs复合催化剂材料。
实施例五：
本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：
采用单壁碳纳米管作为催化剂载体，加热时间为15秒钟，得到具有催化活性的Pt/CNTs材料。本实施例制备的Pt/CNTs材料的Pt负载量为20%。
实施例六：
本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：
采用双壁碳纳米管作为催化剂载体，加热时间为15秒钟，得到具有催化活性的Pt/CNTs材料。本实施例制备的Pt/CNTs材料的Pt负载量为20%。
表1. 本发明实验数据对比
Figure 2012101116504100002DEST_PATH_IMAGE002
表1为本发明实验数据说明，可以看出：可通过控制碳纳米管与有机金属铂化合物的种类，可制备出不同类型的Pt/CNTs材料；还可通过控制反应物料比，调节金属Pt在碳纳米管上的负载量。由本发明方法的特点，就是通过碳纳米管吸收微波，产生热量的过程，将金属Pt成功负载在碳纳米管上，因此，催化剂载体可采用不同种类碳纳米管，可根据需要制备不同种类载体的Pt/CNTs催化剂材料。本发明制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法非常简单新颖可行，得到的活性Pt粒子大小均一，在碳纳米管载体表面分布均匀，具有优秀的催化活性。参见表1，与对比例中典型的液相合成方法相比，本发明制备方法过程更简单，不需要其他有机溶剂，贵金属利用率更高，反应迅速，有利于降低生产成本，金属粒子在MWCNTs表面不易聚集，有利于提高催化剂的电性能。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，如采用其他种类的有机金属铂的化合物，采用不同的微波反应时间等，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于， Pt/CNTs材料的制备包括如下步骤：采用碳纳米管作为催化剂载体，按质量比例1:1~4:1称量碳纳米管和有机金属铂化合物，然后进行混匀，再进行加热，加热时间为10～30秒钟，加热温度为250～400℃，使有机金属铂化合物在碳纳米管表面受热分解，形成具有催化活性的Pt粒子，均匀负载在碳纳米管表面，得到Pt/CNTs催化剂材料。
2.根据权利要求1所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：碳纳米管和有机金属铂化合物混匀后的加热时间为15~18秒钟，加热温度为265～400℃。
3.根据权利要求1或2所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：所述加热方法为微波固相-蒸气反应方法。
4.根据权利要求1或2所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：所述碳纳米管为单壁纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或任意几种混合物。
5.根据权利要求3所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：所述碳纳米管为单壁纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任意一种或任意几种混合物。
6.根据权利要求1或2所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：将按比例称量的碳纳米管和有机金属铂化合物的混合物放入玻璃样品瓶中混合均匀，将样品瓶放入微波炉内微波加热处理。
7.根据权利要求3所述的制备高催化活性Pt/CNTs材料的方法，其特征在于：将按比例称量的碳纳米管和有机金属铂化合物的混合物放入玻璃样品瓶中混合均匀，将样品瓶放入微波炉内微波加热处理。
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