CN111224117A - 一种纳米线结构Pt合金催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米线结构Pt合金催化剂的制备方法，并将其应用于催化燃料电池阴极氧还原反应。所述纳米线结构，直径为2纳米，长度分布在10‑50纳米范围内；所述Pt合金是指Pt与过渡金属Fe、Co、Ni、Mo等形成的合金。上述纳米线结构Pt合金催化剂在油胺体系中合成，产物形貌稳定尺寸均一。制备过程中以油胺为溶剂，以CTAB为表面活性剂，乙酰丙酮铂和过渡金属的乙酰丙酮盐为前驱体，经一步溶剂热反应合成，是一种简洁、高效的合成方法。合金催化剂中铂与过渡金属的原子比可在3:1‑1:3范围内调控。该催化剂对燃料电池阴极氧还原反应(ORR)具有优于商业化Pt/C的催化活性。

Description

一种纳米线结构Pt合金催化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种用于催化燃料电池氧还原反应的纳米线结构Pt合金催化剂及其制备方法与应用，属于纳米材料、电化学催化领域。
背景技术
燃料电池是一种高效、环保的能量转换装置，在分布式发电、汽车运输、航空航天等多个领域具有广泛的应用前景。燃料电池通过电极上的化学反应实现能量转化，为了实现燃料电池的规模应用，目前亟待解决的问题之一是提高电极中催化剂的活性，降低贵金属铂的用量，降低成本。目前商业化催化剂主要是碳担载Pt纳米颗粒。
专利CN101530923A介绍了一种铁镍铂合金纳米棒的制备方法。该方法以含铁无机盐或有机盐、含镍无机盐或有机盐、含铂无机盐作为反应前驱物，将反应前驱物、溶剂无水乙醇、表面活性剂油酸、稳定剂油酸钠、还原剂丙二醇置于高压釜内，采用固相-液相-溶液相体系控温溶剂热法，获得了分散、稳定的铁镍铂合金纳米棒，在催化领域具有潜在应用价值。
专利CN107335802A介绍了一种铂铜合金纳米线的制备方法，该方法通过首先配制铂的油胺溶液并将其加热到150℃以上，然后加入铜的油胺溶液，继续升温至200℃以上反应，最后经离心洗涤获得铂铜合金纳米线。纳米线直径为3-5纳米。
发明内容
基于以上背景技术，本发明的主要内容是提供了一种具有超细纳米线结构Pt合金催化剂的制备方法。通过该方法合成Pt合金催化剂，通过改变前驱体的种类和比例可实现催化剂化学成分为PtNi、PtCo、PtFe、PtMo合金的调控，合金中金属原子比可在3:1-1:3范围内调控，在提高催化剂活性的同时，降低Pt的载量，降低成本。具体采用如下技术方案：
本发明一方面提供一种Pt合金催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下具体步骤：
1)将Pt前驱体、过渡金属的前驱体和表面活性剂同时溶解于油胺溶液中得到混合溶液；2)向上述混合溶液中加入还原剂，120-200℃反应3-5小时；
3)冷却，洗涤、干燥得到所述纳米线结构的Pt合金催化剂。
基于以上技术方案，优选的，所述混合溶液中Pt与过渡金属的原子比为3:1～1:3，所述CTAB与Pt前驱体的质量比为0.1～10:1，所述油胺溶液的浓度为10-50mg/mL。
基于以上技术方案，优选的，所述过渡金属为Fe、Co、Ni或Mo。
所述Pt的前驱体为乙酰丙酮铂、氯铂酸或氯亚铂酸钾，所述过渡金属前驱体为相应金属的乙酰丙酮盐或氯化盐，所述表面活性剂为CTAB或DDAB。
基于以上技术方案，优选的，所述步骤2)中的还原剂为六羰基钨或硼氢化钠，还原剂与Pt前驱体的质量比为0.5～2:1。
基于以上技术方案，优选的，所述步骤3)中洗涤溶剂为乙醇和环己烷的混合溶液；所述混合溶液中，乙醇和环己烷体积比为2:1～1:2。本发明另一方面提供一种上述方法制备的Pt合金催化剂，所述Pt合金催化剂的形貌为纳米线；所述纳米线的直径约为1.5-2.5nm；较细的直径有利于获得较大的比表面积，纳米线原子结构有序，所述纳米线的长度为10-50nm。
本发明再一方面提供一种上述Pt合金催化剂的应用，所述催化剂应用于质子交换膜燃料电池、甲酸燃料电池、甲醇燃料电池的氧还原反应。
本发明所述的制备方法可以超细的纳米线结构，其原理为：在还原制备过程中，表面活性剂起到了软模板的作用，还原剂启动和维持反应的进行，一定程度上，表面活性剂和还原剂共同引导了还原产物的生长。在纳米线结构的形成过程中，表面活性剂浓度适当，更容易吸附在初始棒状晶核的周边而两端吸附较少，在还原剂的作用下，纳米棒沿轴向快速生长，最后形成纳米线结构。
有益效果
本发明所述的制备方法，反应过程一步完成，使用试剂种类少，反应温度低，在同一体系下，通过改变反应条件便可实现催化剂化学成分的可控调变，是一种简洁、高效、低能耗的化学合成方法。
本发明所述的纳米线结构Pt合金催化剂对燃料电池电极反应，特别是阴极氧还原反应具有优异的催化活性。基于该催化剂所构建的催化电极可用于质子交换膜燃料电池、甲酸燃料电池和甲醇燃料电池等。
附图说明
附图提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为实施例1制备的PtNi合金催化剂的TEM图；
图2为实施例1制备的PtNi合金催化剂的HRTEM图；
图3为实施例1制备的PtNi合金催化剂的氧还原极化测试曲线图；
图4为实施例2制备的PtCo合金催化剂的TEM图；
图5为实施例2制备的PtCo合金催化剂的EDS谱图；
图6为实施例2制备的PtCo合金催化剂的氧还原极化测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明所述的超细纳米线结构Pt合金催化剂及其制备方法作进一步说明。
实施例1
纳米线结构PtNi合金催化剂的制备、表征及其氧还原催化活性测试。
称取25mg乙酰丙酮铂和5mg乙酰丙酮镍于20mL样品瓶中，称取75毫克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，加入到上述样品瓶中；然后，向上述样品瓶中加入5mL油胺，溶解均匀；将溶解均匀的反应溶液在180℃油浴锅中预热5分钟，向反应溶液中加入还原剂六羰基钨35mg，180℃保温反应3小时；反应结束后，自然冷却至室温，加入2mL乙醇使产物沉淀；最后，对生成的产物用己烷和乙醇清洗3次，获得催化剂样品。
如图1和图2所示为纳米线结构PtNi合金催化剂样品的TEM照片和HRTEM照片，由图可以看出，纳米线的直径约为2nm，并且纳米线原子结构有序，纳米线沿特定的晶向生长形成，纳米线长度分布在10-50nm范围内。
图3是PtNi合金纳米线催化剂的氧还原极化测试曲线，测试条件为：三电极体系，采用线性扫描技术，O2饱和的0.1MHClO4为电解质溶液，保持电极转速1600r/min，在电位区间0.2-1.0V(相对于RHE电极)内，以10mV/s的扫描速度进行扫描测试。PtNi合金纳米线催化剂的氧还原半波电位达到0.91V，相对于20％的商业化PtC催化剂提高了35mV。计算表明，0.9V时，该催化剂的动力学电流密度为6.46mA/cm2，优于相同条件下商业化Pt/C催化剂的2.1mA/cm2，说明该方法制备的PtNi合金纳米线催化剂具有优异的氧还原催化活性。
实施例2
纳米线结构PtCo合金催化剂的制备、表征及其氧还原催化活性测试。
称取26mg乙酰丙酮铂和7.9mg乙酰丙酮镍于20mL样品瓶中，称取75毫克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，加入到上述样品瓶中；然后，向上述样品瓶中加入5mL油胺，溶解均匀；将溶解均匀的反应溶液在180℃油浴锅中预热5分钟，向反应溶液中加入还原剂六羰基钨35mg，180℃保温反应3小时；反应结束后，自然冷却至室温，加入2mL乙醇使产物沉淀；最后，对生成的产物用己烷和乙醇清洗3次，获得催化剂样品。
图4所示为纳米线结构PtCo合金催化剂样品的TEM照片，由图可以看出，纳米线的直径同样接近2nm，纳米线长度分布在20-40nm范围内。图5是纳米线结构PtCo合金催化剂样品的EDS谱图，结果表明，该合金催化剂由Pt和Co两种元素组成，原子比例为Pt：Co＝77:23(Cu的信号来源于测试时担载PtCo样品的铜网)。图6是纳米线结构PtCo合金催化剂的氧还原极化测试曲线，测试条件与实施例1中相同。纳米线结构PtCo合金催化剂的氧还原半波电位达到0.9V，计算表明，0.9V时，该催化剂的动力学电流密度为5.61mA/cm2，优于相同条件下商业化Pt/C催化剂的2.1mA/cm2，说明该方法制备的PtCo合金纳米线催化剂具有优异的氧还原催化活性。

Claims (8)

1.一种纳米线结构Pt合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将Pt前驱体、过渡金属的前驱体和表面活性剂同时溶解于油胺溶液中得到混合溶液；
2)向上述混合溶液中加入还原剂，120-200℃反应3-5小时；
3)冷却，洗涤、干燥得到所述纳米线结构的Pt合金催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中Pt与过渡金属的原子比为3:1～1:3，所述表面活性剂与Pt前驱体的质量比为0.1～10:1，所述油胺溶液的浓度为10-50mg/mL。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属为Fe、Co、Ni或Mo。
4.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Pt的前驱体为乙酰丙酮铂、氯铂酸或氯亚铂酸钾，所述过渡金属前驱体为相应金属的乙酰丙酮盐或氯化盐，所述表面活性剂为CTAB或DDAB。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的还原剂为六羰基钨或硼氢化钠，还原剂与Pt前驱体的质量比为0.5～2:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中洗涤溶剂为乙醇和环己烷的混合溶液；所述混合溶液中，乙醇和环己烷体积比为2:1～1:2。
7.一种权利要求1-6任一项所述方法制备的Pt合金催化剂，其特征在于，所述Pt合金催化剂的形貌为纳米线；所述纳米线的直径为1.5-2.5nm；长度为10-50nm。
8.一种权利要求7所述的Pt合金催化剂的应用，其特征在于：所述催化剂应用于质子交换膜燃料电池、甲酸燃料电池、甲醇燃料电池的氧还原反应。
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