CN104190919B - 一种铂纳米粒子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种铂纳米粒子，包括：核心；与所述核心相连的5条侧臂。本申请提供的铂纳米粒子在粒子核心外缘具有向外延伸的5条枝化侧臂，这种独特结构能够提高铂纳米粒子的比表面积和活性，从而表现出优异的催化效果。实验结果表明，相比于商用铂黑，本申请提供的铂纳米粒子作为甲酸电氧化实验的催化剂时，比峰电流密度提高了6mA/cm2以上，2000秒后的剩余电流密度提高了1.9mA/cm2以上。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一种铂纳米粒子及其制备方法。
背景技术
纳米是一个特殊尺寸范畴，1纳米等于十亿分之一米，而当物质小到纳米的尺度时，由于这个尺度正好是原子和分子相互作用的空间，因此，处于这个尺度的物质具有极其特殊的物理和化学性能。
纳米材料是指在三维空间中至少一维处于纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料。按维数划分，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维纳米材料，指在三维空间中三维尺度均在纳米尺度，如纳米球、原子团簇等；(2)一维纳米材料，指在三维空间中有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线、纳米管等；(3)二维纳米材料，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。
由于纳米材料的结构、尺寸既不同于体块材料，也不同于单个原子，使其具备了特殊的结构效应，例如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，而其特殊的结构效应使得纳米材料作为催化剂时的催化活性和选择性大大优于传统催化剂。国际上已经将纳米催化剂作为第四代催化剂进行研究和开发。
铂纳米粒子是目前研究最为广泛的纳米催化剂之一，其在一氧化碳/氮氧化物的氧化、石油裂解、燃料电池、水分解等领域有着广阔的应用前景，但现有的铂纳米粒子的催化性能依然难以令人满意。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铂纳米粒子及其制备方法，本发明提供的铂纳米粒子具有良好的催化性能。
本发明提供了一种铂纳米粒子，包括：
核心；
与所述核心相连的5条侧臂。
优选的，所述铂纳米粒子的粒径小于800nm。
优选的，所述5条侧臂位于同一平面内。
优选的，所述5条侧臂平均分布。
优选的，所述铂纳米粒子在5条侧臂所在平面内的尺寸大于垂直于该平面的尺寸。
本发明提供了一种铂纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
a、乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺混合，进行反应，得到铂纳米粒子；
所述乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺的质量比为5:2.5～4.2:2.3～3.7；
所述反应的时间为10h以上。
优选的，所述反应的温度为150～220℃。
优选的，所述反应的时间为10～24h。
优选的，所述混合的方式为超声波振动。
优选的，所述超声波振动的时间为5～60min。
与现有技术相比，本发明提供了一种铂纳米粒子，包括：核心；与所述核心相连的5条侧臂。本发明提供的铂纳米粒子在粒子核心外缘具有向外延伸的5条枝化侧臂，这种独特结构能够提高铂纳米粒子的比表面积和活性，从而表现出优异的催化效果。实验结果表明，相比于商用铂黑，本发明提供的铂纳米粒子作为甲酸电氧化实验的催化剂时，比峰电流密度提高了6mA/cm2以上，2000秒后的剩余电流密度提高了1.9mA/cm2以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是实施例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图2是实施例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图3是实施例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图4是实施例2制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图5是实施例3制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图6是对比例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图7是对比例2制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图8是对比例3制备的铂纳米粒子的扫描电镜图；
图9是实施例1制备的铂纳米粒子和商用铂黑在甲酸和硫酸的混合溶液中的循环伏安曲线图；
图10是实施例1制备的铂纳米粒子和商用铂黑在甲酸和硫酸的混合溶液中的电流密度随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种铂纳米粒子包括：
核心；
与所述核心相连的5条侧臂。
本发明提供的铂纳米粒子包括核心以及与核心相连向外伸展的5条侧臂。所述5条侧臂优选位于同一平面内，所述位于同一平面内的五条侧臂优选为平均分布。5条侧臂的这种特殊分布方式使本发明提供的铂纳米粒子具有类五角星形的形状。本发明提供的铂纳米粒子的粒径优选小于800nm，所述铂纳米粒子在所述5条侧臂所在平面内的尺寸优选大于垂直于该平面的尺寸。所述铂纳米粒子在所述5条侧臂所在平面内的尺寸优选为300～800nm，在垂直于该平面的尺寸优选为10～100nm。
本发明提供了一种全新形状的铂纳米粒子，该铂纳米粒子由核心和与核心相连的5条枝化侧臂组成，这种独特的结构能够提高铂纳米粒子的比表面积和活性，从而表现出优异的催化效果。实验结果表明，相比于商用铂黑，本发明提供的铂纳米粒子作为甲酸电氧化实验的催化剂时，比峰电流密度提高了6mA/cm2以上，2000秒后的剩余电流密度提高了1.9mA/cm2以上。
本发明提供了一种铂纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
a、乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺混合，下进行反应，得到铂纳米粒子；
所述乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺的质量比为5:2.5～4.2:2.3～3.7；
所述反应的时间为10h以上。
本发明直接将乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺混合，进行反应，即可得到铂纳米粒子。所述乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺的质量比为5:2.5～4.2:2.3～3.7，优选为5:3.3～3.8:2.6～3.7。所述反应的时间为10h以上，优选为10～24h，更优选为12～18h。所述反应的温度优选为150～220℃，更优选为160～180℃。所述混合的方式优选为超声波振动。所述超声波振动的时间优选为5～60min，更优选为30～40min。
本发明以油胺和三丙胺的混合液作为反应溶剂，以乙酰丙酮铂作为前驱体，采用一锅溶剂热法制得了类五角星形的铂纳米粒子，该方法操作简单，仅需一步反应即可制得产品。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
将5mg乙酰丙酮铂溶解在4mL油胺和4mL三丙胺的混合溶剂中，30分钟超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，170℃反应12h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，结果如图1～图3所示。图1是实施例1制备的铂纳米粒子的的扫描电镜图，通过图1可以看出，实施例1制备的铂纳米粒子包括核心和与核心相连的5条侧臂，5条侧臂在同一平面内平均分布，具有类五角星形的形状，该铂纳米粒子在5条侧臂所在平面内的尺寸为400～600nm。图2是实施例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，图3是实施例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图2、图3可以看出，实施例1制备的铂纳米粒子主要呈类五角星形，且粒子粒径分布均匀。
实施例2
将10mg乙酰丙酮铂溶解在8mL油胺和8mL三丙胺的混合溶剂中，30分钟超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，160℃反应18h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，结果如图4所示。图4是实施例2制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图4可以看出，实施例2制备的铂纳米粒子主要呈类五角星形。
实施例3
将5mg乙酰丙酮铂溶解在4mL油胺和5mL三丙胺的混合溶剂中，40分钟超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，180℃反应14h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，结果如图5所示。图5是实施例3制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图5可以看出，实施例3制备的铂纳米粒子主要呈类五角星形。
实施例4
将5mg乙酰丙酮铂溶解在4.5mL油胺和3.5mL三丙胺的混合溶剂中，30分钟超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，170℃反应12h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，结果表明，实施例4制备的铂纳米粒子主要呈类五角星形。
对比例1
将5mg乙酰丙酮铂溶解在4mL油胺和4mL三丙胺的混合溶剂中，30分子超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，170℃反应6h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，结果如图6所示。图6是对比例1制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图6可以看出，对比例1制备的铂纳米粒子主要呈三角形。
对比例2
将5mg乙酰丙酮铂溶解在2mL油胺和6mL三丙胺的混合溶剂中，30分子超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，170℃反应12h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，测试结果如图7所示。图7是对比例2制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图7可以看出，对比例2制备的铂纳米粒子多为不规则形状，粒径分布不均。
对比例3
将5mg乙酰丙酮铂溶解在6mL油胺和2mL三丙胺的混合溶剂中，30分子超声波振动之后，将溶液倒入反应釜，170℃反应12h，得到铂纳米粒子。
利用扫描电子显微镜观察上述制备的铂纳米粒子，测试结果如图8所示。图8是对比例3制备的铂纳米粒子的扫描电镜图，通过图8可以看出，对比例3制备的铂纳米粒子主要呈相互交叉的针状结构。
实施例5
铂纳米粒子催化性能测试
将实施例1制得的铂纳米粒子和商用铂黑在70℃条件下在乙酸中处理6h，将处理后的实施例1制得的铂纳米粒子和商用铂黑分别分散在水/异丙醇/10wt％Nafion的混合液(4/1/0.05v/v/v)中，将含实施例1制得的铂纳米粒子的混合液和含商用铂黑的混合液分别滴在玻碳电极上，自然干燥。
将上述处理的玻碳电极分别浸入0.5mol/L的硫酸和1mol/L的甲酸的混合溶液中进行循环伏安扫描，结果如图9所示，扫数为50mV/s。将上述处理的玻碳电极分别浸入0.5mol/L的硫酸和1mol/L的甲酸的混合溶液中进行恒定电压0.28V扫描，结果如图10所示。
通过图9、图10可以看出，本发明实施例1制得的铂纳米粒子在上述实验中的电流密度明显高于商用铂黑，说明本发明实施例1制得的铂纳米粒子的催化性能明显好于商用铂黑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铂纳米粒子，包括：
核心；
与所述核心相连的5条侧臂，所述5条侧臂位于同一平面内，所述铂纳米粒子在所述5条侧臂所在平面内的尺寸为300～800nm；
所述铂纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺混合，进行反应，得到铂纳米粒子；
所述乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺的质量比为5:2.5～4.2:2.3～3.7；
所述反应的时间为10～24h。
2.根据权利要求1所述的铂纳米粒子，其特征在于，所述5条侧臂平均分布。
3.根据权利要求1所述的铂纳米粒子，其特征在于，所述铂纳米粒子在5条侧臂所在平面内的尺寸大于垂直于该平面的尺寸。
4.一种如权利要求1所述的铂纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
a、乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺混合，进行反应，得到铂纳米粒子；
所述乙酰丙酮铂、油胺和三丙胺的质量比为5:2.5～4.2:2.3～3.7；
所述反应的时间为10～24h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为150～220℃。
6.根据权利要求4～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合的方式为超声波振动。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述超声波振动的时间为5～60min。
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