CN109599571A - 用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法 - Google Patents

用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法，将钯盐与一定浓度的盐酸按一定比例混合，得到钯前驱体溶液；其次，称取一定量的丹宁酸，按顺序滴入钯前驱体溶液，氯化铜溶液，氯铂酸溶液和去离子水。再将混合物在室温下连续搅拌一定时间后转移到不锈钢高压反应釜中，将水热反应后的产物通过离心清洗，得到枝状PtPdCu纳米颗粒。本发明操作简单方便、可重复性高、成分可控，制备的枝状纳米颗粒具有优异的电催化氧还原性能。

Description

用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及新能源功能材料领域，更具体地说涉及一种工艺简单，易操作，重复性好的电催化氧还原催化剂的制备方法。
背景技术
众所周知，质子交换膜燃料电池受到阴极氧还原反应动力学限制的约束，铂催化剂目前是最有效的催化氧还原反应的材料，然而，由于铂在地壳中的储量低，价格高，限制了它在燃料电池中的广泛应用。从而铂基催化剂成为非常有潜力的、在一些催化反应中可以替代纯铂甚至比其更佳的催化剂选择。因此，制备具有高催化活性的纳米铂基颗粒是目前的研究热点。由于金属间的协同作用(几何效应和电子效应)，引入其他金属成为增强催化剂催化性能的首选。
目前，主要采用模板法、电沉积法和化学还原法等方法合成贵金属粒子。模板法一般需要前期准备模板以及后期去除模板等工作，且容易在模板去除过程中造成颗粒形貌的破坏，工艺繁琐，操作复杂。电沉积法制备的贵金属颗粒尺寸较大，一般在微米级或微/纳米级，且工艺难以控制，可重复性差。相比之下，化学还原法工艺简单，易操作，产物形貌尺寸容易控制，重复性好，尤其是较低温度下的一步合成法具有非常明显的优势。因此在较低温度下，采用简单的化学还原法制备各种形貌的纳米铂基催化剂，并通过调控工艺参数实现产物形貌或尺寸的改变，这为简化制备工艺以及其他贵金属纳米颗粒的控形控性制备提供了参考，具有一定的指导意义。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法，研究出简单易重复的制备方法，制备出枝状PtPdCu纳米颗粒，铜的加入不仅能降低铂的利用率，还能通过改变铂的电子结构来降低铂和氢氧键之间的结合能，从而提高对氧还原反应的催化性能。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒及其制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将钯盐与盐酸按摩尔比为(1-4)：4混合均匀后，得到钯前驱体溶液，钯前驱体溶液的摩尔浓度为(5-20)mM；
步骤2，将0.160g-0.450重量份的丹宁酸置于反应容器中，依次向上述反应容器中滴入0.5-2.5mL的步骤1制备得到的钯前驱体溶液、0.5-16mL的氯化铜溶液和0.5-5mL的氯铂酸溶液，滴加速率为5-10滴/min后，在向其中加入去离子水后，得到混合溶液，混合溶液的总体积为25-35mL；
步骤3，将步骤2制备得到的混合溶液在室温下20-25℃搅拌均匀后转移至反应釜中，在80-120℃下保温4-8h，炉冷冷却至室温20-25℃后，冷却速率为1-5℃/min，得到黑色混合溶液；
步骤4，将步骤3制备得到的黑色混合溶液通过离心，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤后，得到用于电催化甲醇氧化的枝状PtPdCu纳米颗粒。
在步骤1中，钯盐与盐酸按摩尔比为1：2，钯盐采用质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末，钯前驱体溶液的摩尔浓度为10mM。
在步骤2中，丹宁酸的用量为0.175-0.400重量份，钯前驱体溶液用量为0.5-2mL，氯化铜溶液的浓度为5mM，氯铂酸溶液用量为1-15mL，氯铂酸溶液用量为1-4mL，氯铂酸溶液5mM，混合溶液的总体积为28-32mL。
在步骤3中，搅拌时间为12-18min，在90-110℃下保温5-7h，炉冷冷却至室温20-25℃，冷却速率为2-3℃/min。
在步骤4中，离心的条件为：转速为15000-20000rpm，离心时间为8-12min。
利用X射线衍射(XRD)及透射电镜(TEM)对其物相和形貌进行表征可知，成功制备出了具有不同成分的枝状PtPdCu纳米颗粒，尺寸平均为22-26nm。由线性伏安法(LSV)得到实施例1方法制备的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒在酸性条件下(0.1M HCOl4)不同转速下的极化曲线，表明该Pt37Pd20Cu43纳米颗粒具有优异的电化学催化氧还原的性能，本方法制备的纳米颗粒在酸性条件下的氧还原催化性能为极限电流密度平均为0.95-1.05mA cm-2，起始电位平均为920-950mV。由图1可知实施例1方法制备的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒是面心立方结构，由图2可知，其形貌为以钯铜为核，以铂为壳的枝状核壳结构。由图3可知本方法制备的PtPdCu纳米颗粒在酸性条件下(0.1M HCOl4)1600r的氧还原催化性能为极限电流密度达0.98mAcm-2，起始电位为938mV。由图4可知实施例2方法制备的Pt32Pd16Cu52纳米颗粒其形貌为枝状结构，且孔状稍多。由图5可知实施例3方法Pt34Pd31Cu35纳米颗粒其枝状形貌不明显，但尺寸减小。由图6可知，实施例4方法制备的Pt33Pd12Cu55纳米颗粒有所团聚，但仍为小尺寸的不规则的核壳结构。
本发明的有益效果为：利用工艺简单，易操作，产物形貌尺寸容易控制，重复性好的一步合成法制备了对电催化氧还原具有优异的性能的不同成分的PtPdCu纳米催化剂；本发明还通过调控工艺参数实现产物成分的改变，这为简化制备工艺以及其他贵金属纳米颗粒的成分可控制备提供了参考，具有一定的指导意义。
附图说明
图1为实施例1方法制备得到的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒的X射线衍射图；
图2为实施例1方法制备得到的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒的透射电镜图；
图3为实施例1方法制备得到的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒在酸性条件下(0.1M HCOl4)的极化曲线；
图4为实施例2方法制备得到的Pt32Pd16Cu52纳米颗粒的透射电镜图；
图5为实施例3方法制备得到的Pt34Pd31Cu35纳米颗粒的透射电镜图；
图6为实施例4方法制备得到的Pt33Pd12Cu55纳米颗粒的透射电镜图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸(氯化氢)按1:2摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.175g丹宁酸，按顺序滴入1mL 10mM钯前驱体溶液，1mL 5mM氯化铜溶液以及2mL 5mM氯铂酸溶液，滴加速率为8滴/min后，并添加26mL去离子水，使总体积为30mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌15min后转移到不锈钢高压反应釜中，在100℃下加热6h，炉冷冷却至室温，冷却速率为3℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以18000rpm离心10min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状Pt37Pd20Cu43纳米颗粒。
利用X射线衍射(XRD)及透射电镜(TEM)对其物相和形貌进行表征可知，该实施例制备出了枝状Pt37Pd20Cu43纳米颗粒。由线性伏安法(LSV)得到该纳米颗粒在酸性条件下(0.1M HCOl4)的极化曲线，表明该Pt37Pd20Cu43纳米颗粒具有优异的电化学催化氧还原的性能。
图1是实施例1方法制备的Pt37Pd20Cu43纳米颗粒的X射线衍射图，由图1可知该方法制备的PtPdCu纳米颗粒是面心立方结构，由图2可知，其形貌为以钯铜为核，以铂为壳的枝状核壳结构。由图3可知本方法制备的纳米颗粒在酸性条件下(0.1M HCOl4)的氧还原催化性能为极限电流密度达0.98mA cm-2，起始电位为938mV。
实施例2
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸按1:2摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.3g丹宁酸，按顺序滴入1mL 10mM钯前驱体溶液，6mL 5mM氯化铜溶液以及2mL 5mM氯铂酸溶液，滴加速率为5滴/min后，并添加21mL去离子水，使总体积为30mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌12min后转移到不锈钢高压反应釜中，在120℃下加热4h，炉冷冷却至室温，冷却速率为5℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以15000rpm离心12min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状Pt32Pd16Cu52纳米颗粒。
图4为实施例2方法制备的Pt32Pd16Cu52纳米颗粒透射电镜图,由图4可知，该方法制备的PtPdCu纳米颗粒其形貌为枝状结构，且孔状稍多。
实施例3
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸按1:2摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.4g丹宁酸，按顺序滴入1mL 10mM钯前驱体溶液，10mL 5mM氯化铜溶液以及2mL 5mM氯铂酸溶液，滴加速率为10滴/min后，并添加17mL去离子水，使总体积为30mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌18min后转移到不锈钢高压反应釜中，在80℃下加热8h，炉冷冷却至室温，冷却速率为1℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以20000rpm离心8min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状Pt34Pd31Cu35纳米颗粒。
图5为实施例3方法制备的Pt34Pd31Cu35纳米颗粒透射电镜图,由图5可知实施例3方法PtPdCu纳米颗粒其枝状形貌不明显，但尺寸减小。
实施例4
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸按1:2摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.4g丹宁酸，按顺序滴入1mL 10mM钯前驱体溶液，15mL 5mM氯化铜溶液以及2mL 5mM氯铂酸溶液，滴加速率为9滴/min后，并添加12mL去离子水，使总体积为30mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌16min后转移到不锈钢高压反应釜中，在110℃下加热5h，炉冷冷却至室温，冷却速率为3℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以17000rpm离心9min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状Pt33Pd12Cu55纳米颗粒。
图6为实施例4方法制备的Pt33Pd12Cu55纳米颗粒的透射电镜图，由图6可知，该方法制备的PtPdCu纳米颗粒有所团聚，但仍为小尺寸的核壳结构。
实施例5
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸按1:1摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.45g丹宁酸，按顺序滴入0.5mL 20mM钯前驱体溶液，16mL 5mM氯化铜溶液以及5mL 5mM氯铂酸溶液，滴加速率为8滴/min后，并添加13.5mL去离子水，使总体积为35mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌16min后转移到不锈钢高压反应釜中，在110℃下加热7h，炉冷冷却至室温，冷却速率为3℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以18000rpm离心9min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状PtPdCu纳米颗粒。
实施例6
1)将钯盐(质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末)与盐酸按1:4摩尔比混合，得到钯前驱体溶液；
2)称取0.16g丹宁酸，按顺序滴入2.5mL 0.5mM钯前驱体溶液，0.5mL 5mM氯化铜溶液以及0.5mL 5mM氯铂酸水溶液，滴加速率为7滴/min后，并添加21.5mL去离子水，使总体积为25mL；
3)将步骤2)得到的混合溶液在室温下连续搅拌18min后转移到不锈钢高压反应釜中，在100℃下加热7h，炉冷冷却至室温，冷却速率为4℃/min，得到黑色混合溶液；
4)将步骤3)得到的混合溶液通过离心机以16000rpm离心11min，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤，最终得到枝状PtPdCu纳米颗粒。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将钯盐与盐酸按摩尔比为(1-4)：4混合均匀后，得到钯前驱体溶液，钯前驱体溶液的摩尔浓度为(5-20)mM；
步骤2，将0.160g-0.450重量份的丹宁酸置于反应容器中，依次向上述反应容器中滴入0.5-2.5mL的步骤1制备得到的钯前驱体溶液、0.5-16mL的氯化铜溶液和0.5-5mL的氯铂酸溶液，滴加速率为5-10滴/min后，在向其中加入去离子水后，得到混合溶液，混合溶液的总体积为25-35mL；
步骤3，将步骤2制备得到的混合溶液在室温下20-25℃搅拌均匀后转移至反应釜中，在80-120℃下保温4-8h，炉冷冷却至室温20-25℃后，冷却速率为1-5℃/min，得到黑色混合溶液；
步骤4，将步骤3制备得到的黑色混合溶液通过离心，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤后，得到用于电催化甲醇氧化的枝状PtPdCu纳米颗粒，其中，纳米颗粒的尺寸平均为22-26nm，纳米颗粒的结构为以钯铜为核，以铂为壳的枝状核壳结构。
2.根据权利要求1所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒，其特征在于：在步骤1中，钯盐与盐酸按摩尔比为1：2，钯盐采用质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末，钯前驱体溶液的摩尔浓度为10mM。
3.根据权利要求1所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒，其特征在于：在步骤2中，丹宁酸的用量为0.175-0.400重量份，钯前驱体溶液用量为0.5-2mL，氯化铜溶液的浓度为5mM，氯铂酸溶液用量为1-15mL，氯铂酸溶液用量为1-4mL，氯铂酸溶液5mM，混合溶液的总体积为28-32mL。
4.根据权利要求1所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒，其特征在于：在步骤3中，搅拌时间为12-18min，在90-110℃下保温5-7h，炉冷冷却至室温20-25℃，冷却速率为2-3℃/min；在步骤4中，离心的条件为：转速为15000-20000rpm，离心时间为8-12min。
5.用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将钯盐与盐酸按摩尔比为(1-4)：4混合均匀后，得到钯前驱体溶液，钯前驱体溶液的摩尔浓度为(5-20)mM；
步骤2，将0.160g-0.450重量份的丹宁酸置于反应容器中，依次向上述反应容器中滴入0.5-2.5mL的步骤1制备得到的钯前驱体溶液、0.5-16mL的氯化铜溶液和0.5-5mL的氯铂酸溶液，滴加速率为5-10滴/min后，在向其中加入去离子水后，得到混合溶液，混合溶液的总体积为25-35mL；
步骤3，将步骤2制备得到的混合溶液在室温下20-25℃搅拌均匀后转移至反应釜中，在80-120℃下保温4-8h，炉冷冷却至室温20-25℃后，冷却速率为1-5℃/min，得到黑色混合溶液；
步骤4，将步骤3制备得到的黑色混合溶液通过离心，并用去离子水和乙醇的混合物洗涤后，得到用于电催化甲醇氧化的枝状PtPdCu纳米颗粒，其中，纳米颗粒的尺寸平均为22-26nm，纳米颗粒的结构为以钯铜为核，以铂为壳的枝状核壳结构。
6.根据权利要求5所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤1中，钯盐与盐酸按摩尔比为1：2，钯盐采用质量分数为99％(Pd％为59％)的氯化钯粉末，钯前驱体溶液的摩尔浓度为10mM。
7.根据权利要求5所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤2中，丹宁酸的用量为0.175-0.400重量份，钯前驱体溶液用量为0.5-2mL，氯化铜溶液的浓度为5mM，氯铂酸溶液用量为1-15mL，氯铂酸溶液用量为1-4mL，氯铂酸溶液5mM，混合溶液的总体积为28-32mL。
8.根据权利要求5所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤3中，搅拌时间为12-18min，在90-110℃下保温5-7h，炉冷冷却至室温20-25℃，冷却速率为2-3℃/min。
9.根据权利要求5所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤4中，离心的条件为：转速为15000-20000rpm，离心时间为8-12min。
10.如权利要求1至4任一所述的用于电催化氧还原的枝状PtPdCu纳米颗粒在制备电催化氧还原催化剂上的应用，其特征在于：枝状PtPdCu纳米颗粒在酸性条件下的氧还原催化性能为极限电流密度平均为0.95-1.05mA cm-2，起始电位平均为920-950mV。
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