CN104923305A - Dna修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

Dna修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法，由氧化石墨烯、DNA、二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐制备而成，以氧化石墨烯为载体，DNA修饰氧化石墨烯以提供金属的成核位点，以硼氢化钠为还原剂将二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐还原为镍、钯和铂金属，将氧化石墨烯还原为石墨烯，将镍、钯和铂以三金属合金的形式负载在石墨烯上，石墨烯的质量分数为41％～62.5％，镍、钯和铂三金属合金颗粒的粒径为2～20纳米之间，镍钯铂三金属合金为纳米簇状。本发明操作过程简单、条件温和，制得的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料在电化学测试中表现出良好的电化学性能，表明其在燃料电池电极材料领域具有非常广阔的应用前景。

Description

DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。特别是涉及一种DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及制备方法。
背景技术
燃料电池具有能量转化效率高，能直接将燃料的化学能转化为电能。其中乙醇能量密度高，具有较低的毒性且来源广泛，可以从农作物中发酵得来，符合绿色化学要求，是一种可再生能源。因此直接乙醇燃料电池受到科学家的广泛关注。但是，电极动力学过程缓慢是目前直接乙醇燃料电池面临的困难，因此开发出高效的阳极电极催化剂具有十分重要的意义。
贵金属纳米粒子因其特有的光学、电学及催化性能，逐渐引起科学家越来越浓厚的兴趣，随着纳米科技的发展，双金属纳米颗粒作为催化剂的研究和应用逐渐成熟。Jingjing Lv等人在Facile synthesis of Pt–Pd nanodendrites and their superior electrocatalytic activity.J.Mater.Chem.A 2(2014)4384-4390中用水合肼还原制备了钯铂双金属纳米簇，并且该催化剂对甲醇和乙二醇在碱性条件下显示出优异的电催化活性。为了提高催化活性和减少贵金属用量，将金属负载在一个具有大比表面积和良好的电子传导能力的载体上是非常有必要的。
石墨烯作为一种由单层碳原子以sp2杂化轨道排列而成的蜂窝状晶格结构的二维纳米材料，近年来因为其独特的结构和性质在科学领域掀起了巨大的研究热潮。石墨烯由于具有巨大的比表面积，优越的机械性能，较高的载流子迁移速率和卓越的导电性能等特性。基于其各项优异的性能，石墨烯材料已经在光学、电学、催化、传感器等方面展示出巨大的应用潜能。石墨烯能与绝大多数的金属和金属氧化物复合得到具有优异性能的复合材料，将石墨烯与三金属进行复合，不仅可以较好地解决金属的团聚问题，而且由于石墨烯与金属间的相互作用，有可能大大改善金属的催化活性。Yuting Zhang等人在Synthesis of Pt–Pd bimetallicnanoparticles anchored on graphene for highly active methanol electro-oxidation.J.Power Sources262(2014)279-285中通过一步法制备了石墨烯基钯铂双金属纳米颗粒，该催化剂对甲醇的电化学氧化具有很高的活性。然而钯铂均为贵金属，在钯铂中引入廉价金属镍，不仅可以减少贵金属前驱体的用量，而且可能还会具有更加优异的电催化活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作过程简单、条件温和的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，由氧化石墨烯、DNA、二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐制备而成，以氧化石墨烯为载体，DNA修饰氧化石墨烯以提供金属的成核位点，以硼氢化钠为还原剂将二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐还原为镍、钯和铂金属，将氧化石墨烯还原为石墨烯，将镍、钯和铂以三金属合金的形式负载在石墨烯上，石墨烯的质量分数为41％～62.5％，镍、钯和铂三金属合金颗粒的粒径为2～20纳米之间，镍钯铂三金属合金为纳米簇状。
原料的配比：氧化石墨烯与DNA的质量比为1.25～5:1；氧化石墨烯与二价镍盐的质量比为4.3～19.7:1；硼氢化钠与二价镍盐的摩尔比为10～75:1；二价镍盐与二价钯盐的摩尔比为0.67～1.2:1；二价钯盐与四价铂盐的摩尔比为1:1。
所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种。
所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种。
所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
一种DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，包括如下步骤：
第一步，按计量将氧化石墨烯水溶液中加入DNA，超声处理90～180min以得到均匀分散的溶液，将混合物在搅拌条件下升温至85～100℃，将双链DNA打开，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液；
第二步，向单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中加入一定剂量二价镍盐，继续搅拌10～60min后缓慢滴加一定剂量的硼氢化钠溶液，用来还原镍离子和氧化石墨烯；
第三步，将第二步中得到的混合溶液降温至设定温度，向溶液中缓慢滴加一定剂量四价铂盐溶液和二价钯盐溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀后干燥得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种。
所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种。
所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
第三步所述的设定温度为0～50℃。
本发明的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法，操作过程简单、条件温和，制得的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料在电化学测试中表现出良好的电化学性能，表明其在燃料电池电极材料领域具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例5中DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料的TEM图。
图2为实施例5中DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料对乙醇电化学氧化的循环伏安曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料及其制备方法做出详细说明。
本发明的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，是由氧化石墨烯、DNA、二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐制备而成，以氧化石墨烯为载体，DNA修饰氧化石墨烯以提供金属的成核位点，以硼氢化钠为还原剂将二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐还原为镍、钯和铂金属，将氧化石墨烯还原为石墨烯，将镍、钯和铂以三金属合金的形式负载在石墨烯上，石墨烯的质量分数为41％～62.5％，镍、钯和铂三金属合金颗粒的粒径为2～20纳米之间，镍钯铂三金属合金为纳米簇状。
其中原料的配比：氧化石墨烯与DNA的质量比为1.25～5:1；氧化石墨烯与二价镍盐的质量比为4.3～19.7:1；硼氢化钠与二价镍盐的摩尔比为10～75:1；二价镍盐与二价钯盐的摩尔比为0.67～1.2:1；二价钯盐与四价铂盐的摩尔比为1:1。
所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种；所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种；所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
本发明的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，包括如下步骤：
第一步，按计量将氧化石墨烯水溶液中加入DNA，超声处理90～180min以得到均匀分散的溶液，将混合物在搅拌条件下升温至85～100℃，将双链DNA打开，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液；
第二步，向单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中加入一定剂量二价镍盐，继续搅拌10～60min后缓慢滴加一定剂量的硼氢化钠溶液，用来还原镍离子和氧化石墨烯；
第三步，将第二步中得到的混合溶液降温至设定温度，所述的设定温度可以为0～50℃，向溶液中缓慢滴加一定剂量四价铂盐溶液和二价钯盐溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀后干燥得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
本发明的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法中，所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种。所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种。所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
下面给出实例
实例1：
(1)取50mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入10mg的DNA，超声处理90min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至85℃将双链DNA打开，保持10min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入2mL浓度为20mmol/L的硝酸镍溶液，继续搅拌10min后缓慢滴加6mL浓度为0.4mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至20℃，缓慢滴加3mL浓度为20mmol/L的氯铂酸溶液和3mL浓度为20mmol/L的醋酸钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例2：
(1)取50mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入20mg的DNA，超声处理150min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至90℃将双链DNA打开，保持30min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入9mL浓度为20mmol/L的硫酸镍溶液，继续搅拌40min后缓慢滴加30mL浓度为0.2mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至30℃，缓慢滴加7.5mL浓度为20mmol/L的氯铂酸钾溶液和7.5mL浓度为20mmol/L的氯化钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例3：
(1)取100mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入80mg的DNA，超声处理180min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至95℃将双链DNA打开，保持30min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入10mL浓度为20mmol/L的乙酸镍溶液，继续搅拌60min后缓慢滴加40mL浓度为50mmol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至35℃，缓慢滴加10mL浓度为20mmol/L的氯铂酸溶液和10mL浓度为20mmol/L的醋酸钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例4：
(1)取25mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入10mg的DNA，超声处理120min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至100℃将双链DNA打开，保持15min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入2mL浓度为20mmol/L的乙酸镍溶液，继续搅拌60min后缓慢滴加7mL浓度为0.3mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至25℃，缓慢滴加2mL浓度为20mmol/L的氯铂酸溶液和2mL浓度为20mmol/L的醋酸钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例5：
(1)取50mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入25mg的DNA，超声处理120min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至95℃将双链DNA打开，保持30min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入4mL浓度为20mmol/L的乙酸镍溶液，继续搅拌45min后缓慢滴加15mL浓度为0.4mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至40℃，缓慢滴加5mL浓度为20mmol/L的氯铂酸溶液和5mL浓度为20mmol/L的氯化钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例6：
(1)取80mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入20mg的DNA，超声处理150min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至90℃将双链DNA打开，保持30min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入12mL浓度为20mmol/L的硝酸镍溶液，继续搅拌30min后缓慢滴加30mL浓度为0.6mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至50℃，缓慢滴加10mL浓度为20mmol/L的氯铂酸钾溶液和10mL浓度为20mmol/L的氯亚钯酸钾溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例7：
(1)取50mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入20mg的DNA，超声处理120min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至95℃将双链DNA打开，保持30min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入6mL浓度为20mmol/L的硫酸镍溶液，继续搅拌30min后缓慢滴加12mL浓度为0.5mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至10℃，缓慢滴加6mL浓度为20mmol/L的氯铂酸溶液和6mL浓度为20mmol/L的醋酸钯溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
实例8：
(1)取50mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液，加入30mg的DNA，超声处理120min以得到均匀分散的溶液，将混合物在500r/min的搅拌条件下升温至95℃将双链DNA打开，保持20min，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液。
(2)向步骤(1)得到的单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中缓慢加入5mL浓度为20mmol/L的氯化镍溶液，继续搅拌30min后缓慢滴加15mL浓度为0.3mol/L的硼氢化钠溶液。
(3)将步骤(2)中得到的混合溶液降温至0℃，缓慢滴加5mL浓度为20mmol/L的氯铂酸钾溶液和5mL浓度为20mmol/L的氯亚钯酸钾溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀冷冻干燥后得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。其TEM表征结果如图1所示。
上述方法所制得的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料的应用评估：将本发明得到的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料作为工作电极用于乙醇的电化学氧化反应，检测方法是通过在标准三电极体系中进行测试的，采用铂电极为对电极，氧化汞电极为参比电极，电解质为0.5mol/L的氢氧化钾溶液。以50mV/s的扫描速率在–0.8～0.4V区间进行多次循环伏安扫描，直到曲线稳定。测试结果如图2所示。

Claims (10)

1.一种DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，其特征在于，由氧化石墨烯、DNA、二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐制备而成，以氧化石墨烯为载体，DNA修饰氧化石墨烯以提供金属的成核位点，以硼氢化钠为还原剂将二价镍盐、二价钯盐和四价铂盐还原为镍、钯和铂金属，将氧化石墨烯还原为石墨烯，将镍、钯和铂以三金属合金的形式负载在石墨烯上，石墨烯的质量分数为41％～62.5％，镍、钯和铂三金属合金颗粒的粒径为2～20纳米之间，镍钯铂三金属合金为纳米簇状。
2.根据权利要求1所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，其特征在于，原料的配比：氧化石墨烯与DNA的质量比为1.25～5:1；氧化石墨烯与二价镍盐的质量比为4.3～19.7:1；硼氢化钠与二价镍盐的摩尔比为10～75:1；二价镍盐与二价钯盐的摩尔比为0.67～1.2:1；二价钯盐与四价铂盐的摩尔比为1:1。
3.根据权利要求1或2所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，其特征在于，所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，其特征在于，所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种。
5.根据权利要求1或2所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料，其特征在于，所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
6.一种权利要求1或2所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，按计量将氧化石墨烯水溶液中加入DNA，超声处理90～180min以得到均匀分散的溶液，将混合物在搅拌条件下升温至85～100℃，将双链DNA打开，得到单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液；
第二步，向单链DNA修饰的氧化石墨烯溶液中加入一定剂量二价镍盐，继续搅拌10～60min后缓慢滴加一定剂量的硼氢化钠溶液，用来还原镍离子和氧化石墨烯；
第三步，将第二步中得到的混合溶液降温至设定温度，向溶液中缓慢滴加一定剂量四价铂盐溶液和二价钯盐溶液，继续搅拌得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料溶液，随后离心，用水洗涤至pH为6.5～7.5，收集沉淀后干燥得到DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料。
7.根据权利要求6所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，其特征在于，所述的二价镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，其特征在于，所述的二价钯盐为醋酸钯、氯亚钯酸钾、氯化钯中的任意一种。
9.根据权利要求6所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，其特征在于，所述的四价铂盐为氯铂酸、氯铂酸钾中的任意一种。
10.根据权利要求6所述的DNA修饰的石墨烯基镍钯铂纳米复合材料制备方法，其特征在于，第三步所述的设定温度为0～50℃。
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