CN104646025B - 一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法 - Google Patents
一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，属于纳米材料应用以及催化技术领域。其特征在于：首先利用超声波化学还原法和回流法连续还原反应获得具有中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒，该纳米颗粒平均尺寸为11~13 nm，然后采用自组装工艺将该纳米颗粒组装到氧化石墨烯片层上，并形成三维多孔气凝胶结构的复合材料；相对常规采用置换或腐蚀方法来说，该方法步骤简单，成本低，所获得的合金颗粒尺寸小，尺寸分布均匀，结构独特。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，属于纳米材料应用以及催化技术领域。
背景技术
贵金属铂（Pt）纳米颗粒是具有高催化性，是最重要的纳米催化剂之一，广泛用于各种化学反应包括加氢、NO还原、CO氧化和有机小分子氧化反应，氧气还原等，不仅如此，Pt还是燃料电池最主要的催化剂；随着工业及科技的不断发展，清洁能源的重要性日益突出，这不但是对能源科技的挑战，又给能源科学带来巨大的推动力；然而Pt纳米贵金属催化剂虽然具有高的催化活性，但是非常容易中毒而失活，此外，Pt的价格昂贵，因此成本过高；目前，大量的科学证明，加入第二种金属元素，形成Pt-M合金不仅可以有效的抑制Pt催化剂的中毒，还可以提高催化剂的催化活性，并降低催化剂的成本。而Pt/Ni合金就是其中一种。
由于Pt与过渡元素Ni的氧化-还原电位相差较大，其离子难于同时被还原，目前制备该合金的方法有高温煅烧法（J. Electrochem. Soc.，2003，150:A278-284）；电沉积法（东京大学的Dr Lu课题组，Langmuir 2002，18，3226-3232）；油酸油脂中回流法（BrownUniversity的Dr Sun课题组，Science, 2000，287，1989-1991，J. Am. Chem. Soc. 2006，128 (22) ,7132 7133）等；高温煅烧法温度较高，成本高，并且高温煅烧会造成纳米颗粒的团聚，无法控制颗粒的尺寸以及形貌，因而所制备的催化剂活性难以控制，电沉积法也很难控制颗粒的尺寸与形貌；Dr Sun课题组用金属有机化合物为前驱体，在油酸油脂中，高温反应获得形貌可控，高催化活性的Pt/M合金纳米颗粒，然而该方法所用的金属有机化合物如金属羰基络合物是剧毒，并且反应需高温，长时间下完成，因为至今还没有应用与实际中，因此，开发一种新颖，简单，绿色的方法制备Pt/M纳米合金仍然是科学研究的热点。
此外，具有中空和介孔结构的合金颗粒具有更高的催化活性和抗中毒能力。这是因为中空和介孔结构的合金具有高比表面积，高的活性位点，高的电子传输能力，并且，可以加快中间产物的转化，毒性小分子的转化；目前常用制备具有中空或介孔结构的合金方法是置换腐蚀法，例如制备中空和介孔的Pt/Ni合金颗粒时，先制备出一定尺寸的Ni纳米颗粒，然后加入Pt的金属化合物，氧化电势较高的Pt离子就会氧化Ni而被还原成Pt单质，通过调节两者元素的量就可以获得不同配比且具有中空和介孔的Pt/Ni合金颗粒，然而该方法比较复杂，清洗被腐蚀的Ni比较困难，腐蚀的时间，量的控制需精确，难控制。
除了制备纳米催化剂颗粒之外，催化剂的载体是另外一个关键，近年来，三维多孔的石墨烯是催化剂载体的热门选择之一；三维石墨烯具有高比表面积，高的电子传输速度，大的孔体积，这些优点有利于提高催化剂的电子传输和质量传输，从而提高催化剂活性以及耐久性，将纳米合金颗粒组装到二维石墨烯上的方法很成熟，但是将纳米合金颗粒组装到三维多孔石墨烯中还鲜有报道。我们课题组已经申请一项专利名为：一种纳米金属或金属合金催化剂及其制备方法(201410848162.0)，在该方法中可以利用抗坏血酸将合金纳米颗粒/氧化石墨烯还原并组装成三维多孔石墨烯液凝胶结构，该方法的优点就是可以将多种合金颗粒原位生长在石墨烯片层上，然后通过交联获得三维多孔复合材料，然而，在该方法中无法对颗粒的形貌进行有效的调控；合金颗粒是催化能力的来源，其催化性能与合金颗粒的尺寸，形貌，结构紧密联系，而这里，我们进行了进一步的创新；以Pt/Ni为例，其一：采用超声波化学还原法和回流法连续还原，可以获得中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒，其二：将该结构的Pt/Ni合金纳米颗粒与石墨烯组装，获得三维多孔复合材料；其三：通过变换金属前驱体，可以获得其它组分的合金纳米颗粒与石墨烯的三维多孔复合材料，例如：介孔结构的Pt/Co。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的不足之处，提供一种制备工艺简单，能耗低的方法获得具有中空结构的Pt/Ni合金颗粒与石墨烯气凝胶负载的新型催化剂，其特征在于：首先利用超声波化学还原法和回流法连续还原反应获得具有中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒，该纳米颗粒平均尺寸为11~13 nm，然后采用自组装工艺将该纳米颗粒组装到氧化石墨烯片层上，并形成三维多孔气凝胶结构的复合材料；相对常规采用置换或腐蚀方法来说，该方法步骤简单，成本低，所获得的合金颗粒尺寸小，尺寸分布均匀，结构独特。
其原理为：采用超声波化学法，强还原剂可以把过渡金属还原成纳米颗粒，由于该步骤中反应时间很短，因此剩余的Pt离子腐蚀已生成的Ni纳米颗粒形成中空结构的Pt/Ni合金，此外，在回流法中的连续还原使得Pt离子全部得以还原，将获得的分散的Pt/Ni纳米颗粒组装到二维氧化石墨烯片层中，再利用抗坏血酸还原就可以将该复合物组装成三维多孔石墨烯复合材料。
此外，采用该方法，还可以制备其它金属合金纳米颗粒与石墨烯气凝胶的复合材料。纳米金属合金的种类选自：Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Rh, Pb, Fe, Co, Ni, Ir, Cu的一种或多种，能够调节各组分的含量以及种类。
所述制备方法步骤如下：
a) 中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒的制备
1）将一定量的质量浓度为1 % 的柠檬酸钠加入去离子水中。
2）将一定量的摩尔浓度均为0.1 mol/L的铂金属化合物和镍金属化合物水溶液加入1）中的柠檬酸钠水溶液中，混合均匀。
3）超声波化学反应还原：在超声的条件下，将一定量的强还原剂加入2）中获得混合溶液中，并持续超声一定时间。
4）回流法还原：将一定量的弱还原剂加入3）混合溶液中，一定温度下继续反应一定时间后结束，离心水洗后获得Pt/Ni合金溶胶。
所述Pt/Ni合金溶胶经常规凝缩方法获得所需质量浓度的Pt/Ni合金水溶胶。
b) Pt/Ni合金纳米颗粒与石墨烯气凝胶的组装
1) 将一定量质量分数为1.2 % 的PDDA水溶液加入1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超声后获得PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液。
2）将a) 中所制备的中空Pt/Ni合金纳米溶胶经常规凝缩方法使得浓度为1 mg/mL后，再加入b) 步骤中1）获得的PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液中，超声分散30 min。
3）将一定量的抗坏血酸加入2）混合溶液中，超声分散2 min。
4）将3）所获的混合溶液密封后放入干燥箱中，一定温度下保温一定时间后获得中空Pt/Ni合金与石墨烯液凝胶复合材料，经过冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥后，即可获得中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料。
步骤a) 中的1）所述的质量浓度为1% 的柠檬酸钠水溶液的体积与去离子水的体积比为：0.05-0.15：1，优选0.12:1。
步骤a) 中2）中所述铂金属化合物和镍金属化合物种类分别选自包括下列的组群：K2PtCl6，K2PtCl4，Pt(NO3)2和NiCl2·6H2O，Ni(ClO3)2，Ni(ClO3)2·6H2O，Ni(NO3)2·6H2O，NiSO4·6H2O，NiSO4·7H2O，Ni4CO3(OH)6(H2O)4，Ni(OAC)中一种。
步骤a) 中2）0.1 mol/L的铂金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.006-0.014:1，优选0.01:1，0.1 mol/L的镍金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.006-0.014:1，优选0.01:1。步骤a) 中3）选用的强还原剂，选自下列群组：硼氢化钠，四氢呋喃硼烷和吡啶硼烷中的任
意一种。
步骤a) 中3）所选还原剂的用量为每毫升上述0.1 mol/L 的铂金属化合物水溶液中加入所选
还原剂0.5 mmol~2 mmol，其中优先选用1.3 mmol为最佳，超声反应时间为5 min~15 min。
步骤a) 中4）中选用的弱还原剂，选自下列群组：抗坏血酸，葡萄糖，乙二醇，草酸和对苯
醌中的一种。
步骤a) 中4）中选用还原剂的用量为每毫升0.1 mol/L的铂金属化合物水溶液加入还原剂
0~2 mmol，反应温度为50℃~95℃，其中优选90℃为最佳，反应时间为0.5 h~2 h，其中优选
1 h为最佳。
步骤b) 中1) 的每毫升1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液加入0~16 微升的上述PDDA水溶液。
步骤b) 中2）每毫升浓度为1 mg/mL的PDDA修饰的氧化石墨烯水溶液中加入a)中获得的
浓度为1mg/mL的中空Pt/Ni合金纳米溶胶体积为0.5 mL-1.5 mL。
步骤b) 中3）抗坏血酸的用量为每毫升步骤b)中2）获得的混合液中加入0.5~2 mg的抗坏血酸，其中1 mg为最佳。
步骤b)中4）保温温度为50~95℃，其中最佳保温温度为90℃；保温时间为2~6 h，其中4 h最佳。
除了制备具有特殊结构的Pt/Ni与石墨烯气凝胶负载的复合物之外，通过改变金属化合物的种类，可以获得一系类不同组成的合金与石墨烯复合材料：Pt/Au，Pt/Ag，Pt/Pd，Pt/Fe，Pt/Co，Pt/Cu，Pt/Pb，Pt/Rh，Pt/Ru，Pd/Au，Pd/Ag，Pd/Fe，Pd/Ni，Pd/Co，Pd/Cu，Pd/Rh，Pd/Ru，Pd/Pb，Pt/Ni/Co，Pt/Fe/Co等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法；制备具有中空结构的Pt/Ni的方法简单，颗粒尺寸大小均匀，平均尺寸为11~13 nm；采用自组装工艺将合金颗粒与氧化石墨烯组装成三维多孔复合材料，合金颗粒可以均匀的分散在石墨烯的片层上，并且三维材料的孔径约为~3微米，除了Pt/Ni合金颗粒之外，纳米合金的组分以及配比能够通过改变金属化合物的种类和量来随意调配，扩大了方法的应用范围和实用价值。
附图说明
图1实施例1中所获中空Pt/Ni纳米合金颗粒的TEM图，（a）低倍率，（b）高倍率。
图2实施例2所获的中空Pt/Ni纳米合金颗粒，（a）低倍率，（b）高倍率。
图3实施例3所获的Pt/Ni合金纳米颗粒的TEM图，（a）低倍率，（b）高倍率。
图4实施例4所获得的枝状Pt/Co合金纳米颗粒的TEM图，（a）低倍率，（b）高倍率。
图5为实施例5所获得的中空Pt/Ni合金与石墨烯液凝胶复合材料的（a）数码照片，（b）SEM和（c）TEM图片。
图6为实施例5获得的中空 Pt/Ni纳米合金负载与三维石墨烯气凝胶催化剂以及商业Pt/C (20%)的氧还原反应的极化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用超声波化学法和回流法制备中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒。
所述制备方法步骤如下：
1）将1毫升的质量浓度为1 % 的柠檬酸钠加入10 mL去离子水中。
2）将摩尔浓度均为0.1 mol/L的铂金属化合物水溶液和镍金属化合物水溶液各100微升加入1）中的柠檬酸钠水溶液中，混合均匀。
3）超声波化学反应还原：在超声的条件下，将0.13mmol的硼氢化钠强还原剂加入2）中获得混合溶液中，并持续超声10 min。
4）回流法还原：将0.1 mmol的抗坏血酸弱还原剂加入3）混合溶液中，90℃下继续反应1 h后结束。离心水洗后获得Pt/Ni合金溶胶。
采用透射电镜对所获得的合金纳米颗粒进行形貌的表征。
图1为实施例1中所获的Pt/Ni纳米合金颗粒的TEM图，从图中可以看到纳米颗粒尺寸分布均匀，为11~13 nm；更可以清晰的看到该合金颗粒为中空结构，孔洞直径为7 nm。
实施例2
实施例2的步骤与实施例1中类似，只是步骤4）中未加第二种弱还原剂，其他保持不变，图2为实施例2获得的Pt/Ni纳米合金颗粒，从图中可以看到，该纳米颗粒平均尺寸为13 nm；与实施例1中相比，该颗粒虽然有明显的中空结构，但是孔洞直接增大到9 nm，这是因为实施例1中步骤4) 通过第二种弱还原的继续还原反应，使得全部Pt离子全部还原，因此中空结构的Pt/Ni颗粒的壁较厚，反之，实施例2中得到的合金颗粒的壁较薄。
实施例3
实施例3的步骤与实施例1中类似，只是没有进行步骤4）中回流法还原；图3为实施例3中所获得的Pt/Ni纳米合金颗粒的TEM图，从图中可以看到许多中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒，但是颗粒粒径分布较宽，颗粒发育明显不成熟，中空合金颗粒壁厚约为1.5 nm，此外，颗粒周围仍有许多小颗粒，实施例3证明超声波化学法提供了中空合金结构的形成，但是实施例1~3证明回流法是必须的，两者结合才可以获得形貌尺寸结构都良好的中空Pt/Ni合金颗粒。
实施例4
实施例的步骤与实施例1中类似，只是将Ni金属化合物更换成Co金属化合物CoCl2·2H2O，其它保持不变，因此，实施例4所获得的是Pt/Co合金纳米颗粒；图4为其TEM图；从图中可以看到，该许多Pt/Co合金颗粒组成典型的枝状介孔结构，颗粒的尺寸分布均匀，尺寸为2-4nm，实施例4证明通过改变金属化合物的种类，可以获得不同组分的合金纳米颗粒。
实施例5
实施例5为中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料。
实施例5的步骤是：
1) 将60微升质量分数为1.2 % 的PDDA水溶液加入5 mL的1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超声30 min后获得PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液。
2）将5 mL的实施例1中经常规凝缩方法获得的浓度为1 mg/mL 的中空Pt/Ni合金纳米溶胶加入到步骤中1）获得的PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液中，超声分散30 min。
3）将抗坏血酸加入2）混合溶液中，超声分散2 min，每毫升步骤2）获得的混合液中加入1mg的抗坏血酸。
4）将3）所获的混合溶液密封后放入干燥箱中，90℃下保温4 h后获得中空Pt/Ni合金与石墨烯液凝胶复合材料，经过冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥后，即可获得中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料。
图5（a）为该材料的数码照片，从照片可以看到Pt/Ni合金颗粒与石墨烯组装成三维体材料。
图5（b）为该复合材料的SEM图，从图中可以看到该复合材料为多孔网络结构，孔径约为2微米。
图5（c）为该复合材料的TEM图，从图中可以看到石墨烯片层是均匀负载着中空Pt/Ni合金纳米颗粒，实施例5证明该申请专利所述方法成功制备出中空Pt/Ni合金与石墨烯三维多孔复合材料。
实施例6
采用旋转圆盘电极测试实施例5所获的中空 Pt/Ni纳米合金负载与三维石墨烯气凝胶催化剂对氧气的催化性能，并且以商业Pt/C (Pt: 20 wt%)为对照实验。
图6为实施例5获得的中空Pt/Ni纳米合金负载与三维石墨烯气凝胶催化剂以及商业Pt/C氧还原反应的极化曲线；结果显示，这该催化剂有着比商业Pt/C更高的起始电位和更大的极限电流密度，说明该催化剂具有较高的催化活性，实施例6说明采用本专利的方法可以获得比商业Pt/C催化剂更高更好的催化性能的催化剂。
Claims (15)
1.一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：首先利用超声波化学还原法和回流法连续还原反应获得具有中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒，该纳米颗粒平均尺寸为11～13nm，然后采用自组装工艺将该纳米颗粒组装到氧化石墨烯片层上，并形成三维多孔气凝胶结构的复合材料；采用超声波化学还原法，强还原剂可以把过渡金属还原成纳米颗粒，由于该步骤中反应时间很短，因此剩余的Pt离子腐蚀已生成的Ni纳米颗粒形成中空结构的Pt/Ni合金，此外，在回流法中的连续还原使得Pt离子全部得以还原，将获得的分散的Pt/Ni纳米颗粒组装到二维氧化石墨烯片层中，再利用抗坏血酸还原就可以将该复合物组装成三维多孔石墨烯复合材料，即中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料。
2.如权利要求1所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于所述制备方法步骤如下：
a)中空结构的Pt/Ni合金纳米颗粒的制备
1)将一定量的质量浓度为1％的柠檬酸钠水溶液加入去离子水中得到柠檬酸钠水溶液2；
2)将一定量的摩尔浓度均为0.1mol/L的铂金属化合物水溶液和镍金属化合物水溶液加入1)中的柠檬酸钠水溶液2中，混合均匀；
3)超声波化学反应还原：在超声的条件下，将一定量的强还原剂加入2)中获得混合溶液中，并持续超声一定时间；
4)回流法连续还原：将一定量的弱还原剂加入3)混合溶液中，一定温度下继续反应一定时间后结束，离心水洗后获得Pt/Ni合金溶胶；
b)Pt/Ni合金纳米颗粒与石墨烯气凝胶的组装
1)将一定量质量分数为1.2％的PDDA水溶液加入1mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超声后获得PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液；
2)将a)中所制备的中空Pt/Ni合金纳米溶胶经常规凝缩方法使得浓度为1mg/mL后，再加入b)步骤中1)获得的PDDA修饰后的氧化石墨烯水溶液中，超声分散30min；
3)将一定量的抗坏血酸加入2)混合溶液中，超声分散2min；
4)将3)所获的混合溶液密封后放入干燥箱中，一定温度下保温一定时间后获得中空Pt/Ni合金与石墨烯液凝胶复合材料，经过冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥后，即可获得中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料。
3.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中的1)所述的质量浓度为1％的柠檬酸钠水溶液的体积与去离子水的体积比为：0.05-0.15：1。
4.如权利要求3所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中的1)所述的质量浓度为1％的柠檬酸钠水溶液的体积与去离子水的体积比为0.12:1。
5.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中2)中所述铂金属化合物和镍金属化合物种类分别选自包括下列的组群：K2PtCl6，K2PtCl4，Pt(NO3)2和NiCl2·6H2O，Ni(ClO3)2，Ni(ClO3)2·6H2O，Ni(NO3)2·6H2O，NiSO4·6H2O，NiSO4·7H2O中一种；步骤a)中2)0.1mol/L的铂金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.006-0.014:1，0.1mol/L的镍金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.006-0.014:1。
6.如权利要求5所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中2)0.1mol/L的铂金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.01:1，0.1mol/L的镍金属化合物水溶液与去离子水的体积比为0.01:1。
7.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中3)选用的强还原剂，选自下列群组：硼氢化钠，四氢呋喃硼烷和吡啶硼烷中的任意一种；步骤a)中3)所选强还原剂的用量为每毫升上述0.1mol/L的铂金属化合物水溶液中加入所选强还原剂0.5mmol～2mmol，超声反应时间为5min～15min。
8.如权利要求7所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中3)所选强还原剂的用量为每毫升上述0.1mol/L的铂金属化合物水溶液中加入所选强还原剂1.3mmol。
9.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤a)中4)中选用的弱还原剂，选自下列群组：抗坏血酸，葡萄糖，乙二醇，草酸和对苯醌中的一种；步骤a)中4)中选用弱还原剂的用量为每毫升0.1mol/L的铂金属化合物水溶液加入弱还原剂1mmol，反应温度为50℃～95℃，反应时间为0.5h～2h。
10.如权利要求9所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：反应温度为90℃，反应时间1h。
11.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中1)的每毫升1mg/mL的氧化石墨烯水溶液加入12微升的上述PDDA水溶液；步骤b)中2)每毫升1mg/mL的PDDA修饰的氧化石墨烯水溶液中加入a)中获得的浓度为1mg/mL的中空Pt/Ni合金纳米溶胶体积为0.5mL-1.5mL。
12.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中3)抗坏血酸的用量为每毫升步骤b)中2)获得的混合液中加入0.5～2mg的抗坏血酸。
13.如权利要求12所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中3)抗坏血酸的用量为每毫升步骤b)中2)获得的混合液中加入1mg的抗坏血酸。
14.如权利要求2所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中4)保温温度为50～95℃；保温时间为2～6h。
15.如权利要求14所述的一种中空Pt/Ni合金与石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b)中4)保温温度为90℃；保温时间为4h。
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