CN111987325A - 一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法，将表面活性剂和葡萄糖溶于蒸馏水中并搅拌过夜，再加入氯化铜和四氯金酸水合物，待混合均匀后在100‑150℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到五角星结构的AuCu合金催化剂。本发明合成的五角星结构的双金属电催化剂，其合成方法简单、反应条件温和、反应效率高且能耗低；相对于单金属可以减少成本，降低还原电位并且提高选择性，从而提高催化剂的电催化性能。

Description

一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池催化剂技术领域，具体涉及一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法。
背景技术
随着人类社会的进步，在生产和生活中过多的使用石油和煤等化石燃料导致大气中的二氧化碳含量逐渐增加，其含量超标则会引起一系列环境气候问题，比如：气候变暖，土地酸化等。因此，通过电催化的方式将大气中含量丰富的二氧化碳转化为化学能的燃料引起了广泛的关注。电催化二氧化碳不仅可以减少其含量，缓解气候问题，而且具有可控的选择性，较高的转化效率，方法简单易实施等优点。
二氧化碳电还原催化剂分为两种，均相和非均相催化剂。均相催化剂由于其特别的分子结构具有较好的选择性但是价格昂贵且毒性较大，因此限制了其发展应用。最近几年，非均相催化剂双金属纳米材料成为颇具潜力的新兴材料。其合成方法简单，条件温和，转化率高，但是所需过电位较高会使能量效率降低，并且在反应过程中，催化剂的活性位点会被电解产生的金属离子覆盖导致催化剂失活，这些问题有待进一步解决。
单一的贵金属催化剂价格昂贵并且二氧化碳还原电位过高导致严重的析氢副反应的发生，也会使产物单一，稳定性差。有效提高金属催化性能的方法就是加入另一种过渡金属制备双金属催化剂。双金属催化剂可以更好地调控形貌，缩减成本，降低过电位从而减少能源消耗，并且通过双金属协同作用可以提高二氧化碳还原的法拉第效率和选择性。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种能够有效提高二氧化碳还原性能的五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法，其特征在于具体过程为：
步骤S1：将表面活性剂和葡萄糖溶于蒸馏水中并搅拌过夜，再加入氯化铜和四氯金酸水合物，待混合均匀后在100-150℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到五角星结构的AuCu合金催化剂，所述表面活性剂为十六胺或十八胺，四氯金酸水合物与氯化铜的投料质量比为2:1-3:1，该AuCu合金催化剂为具有5个尖端的五角星结构，平均直径在17-23mm之间，增加了活性位点进而提高了催化剂的催化活性；
步骤S2：向步骤S1得到的备用液中加入XC-72炭黑，搅拌分散均匀后于室温下静置，待上清液澄清后吸出上清液，沉淀到底部的黑色沉淀在真空干燥箱中于45℃干燥得到负载到炭黑上的AuCu合金催化剂。
进一步限定，步骤S1中所述四氯金酸水合物与氯化铜的投料质量比为20:7。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明合成的五角星结构的双金属电催化剂，其合成方法简单、反应条件温和、反应效率高且能耗低。
2.本发明中AuCu为双金属纳米催化剂，相对于单金属可以减少成本，降低还原电位并且提高选择性，从而提高催化剂的电催化性能。
3.本发明中以十六胺作为还原剂和导向剂，不仅起到还原作用，而且还对AuCu五角星结构的生成起到表面修饰作用，在AuCu合金形成过程中十六胺的存在保证了五角星结构的生成。
4.本发明合成的五角星结构的AuCu二氧化碳还原电池催化剂不仅可以提高单金属纳米催化剂的稳定性，调节表面电子结构，使Au更多的在表面，而且双金属之间的协同效应还大大提高了转化效率表现出比其单金属更优异的催化性能。在二氧化碳还原燃料电池上有广阔的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制得的Au3Cu1双金属电催化剂的TEM图；
图2是实施例2制得的Au1Cu1双金属电催化剂的TEM图；
图3是实施例3制得的Au1Cu3双金属电催化剂的TEM图；
图4是实施例1-3制得负载到炭黑上的AuCu合金催化剂的CO法拉第效率图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
取0.5g十六胺和0.9g葡萄糖溶于80mL蒸馏水中，强烈搅拌过夜，加入四氯金酸水合物0.3g和氯化铜0.03g混合均匀后在100℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到Au3Cu1纳米颗粒，将其超声分散于乙醇溶液中得到备用液；向上述备用液中加入一定质量的XC-72炭黑，搅拌分散均匀后于室温下静置，待上清液澄清后吸出上清液，沉淀到底部的黑色沉淀在真空干燥箱中于45℃干燥得到负载到炭黑上的AuCu合金催化剂。由图1可知本实施例制得的Au3Cu1纳米颗粒直径在35-40 nm之间。
取2mg本实施例制得的负载到炭黑上的AuCu合金催化剂分散在分散剂中，将混合液超声均匀后涂在1*1cm大小的碳纸上，采用三电极H电解池系统，通过电化学工作站测量该催化剂的性能，通过GC得到产物CO的量，CO法拉第效率结果如图4所示。
实施例2
取0.5g十六胺和0.9g葡萄糖溶于80mL蒸馏水中，强烈搅拌过夜，加入四氯金酸水合物0.2g和氯化铜0.07g混合均匀后在100℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到Au1Cu1五角星纳米颗粒，将其超声分散于乙醇溶液中得到备用液；向上述备用液中加入一定质量的XC-72炭黑，搅拌分散均匀后于室温下静置，待上清液澄清后吸出上清液，沉淀到底部的黑色沉淀在真空干燥箱中于45℃干燥得到负载到炭黑上的AuCu合金催化剂。由图1可知本实施例制得的Au1Cu1五角直径在17-23nm之间。
取2mg本实施例制得的负载到炭黑上的AuCu合金催化剂分散在分散剂中，将混合液超声均匀后涂在1*1cm大小的碳纸上，采用三电极H电解池系统，通过电化学工作站测量该催化剂的性能，通过GC得到产物CO的量，CO法拉第效率结果如图4所示。
实施例3
取0.5g十六胺和0.9g葡萄糖溶于80mL蒸馏水中，强烈搅拌过夜，加入四氯金酸水合物0.08g和氯化铜0.1g混合均匀后在100℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到Au1Cu3纳米枝，将其超声分散于乙醇溶液中得到备用液；向上述备用液中加入一定质量的XC-72炭黑，搅拌分散均匀后于室温下静置，待上清液澄清后吸出上清液，沉淀到底部的黑色沉淀在真空干燥箱中于45℃干燥得到负载到炭黑上的AuCu合金催化剂。由图1可知本实施例制得的Au1Cu3纳米枝直径在7-16 nm之间。
取2mg本实施例制得的负载到炭黑上的AuCu合金催化剂分散在分散剂中，将混合液超声均匀后涂在1*1cm大小的碳纸上，采用三电极H电解池系统，通过电化学工作站测量该催化剂的性能，通过GC得到产物CO的量，CO法拉第效率结果如图4所示。
本发明制得的燃料电池催化剂具有良好的选择性和催化性能。图4是电性能测试结果中，由图可知Au1Cu1五角星纳米颗粒有较好的催化活性；分析认为，本发明提供的具有五角星结构的Au1Cu1燃料电池催化剂有较多的尖端活性位点，增大了电化学活性表面积，进而提高了催化剂的催化活性。同时Au和Cu两金属之间发挥了良好协同效应，而且在比较温和的条件下得到了目标产物，避免了高温引起的形貌破环，保持了良好的稳定性，表明本发明制得的电池催化剂的电催化活性性能优异，是一种具有广阔应用前景的燃料电池催化剂。
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (2)

1.一种五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法，其特征在于具体过程为：
步骤S1：将表面活性剂和葡萄糖溶于蒸馏水中并搅拌过夜，再加入氯化铜和四氯金酸水合物，待混合均匀后在100-150℃的油浴中反应30分钟得到黑红色、均匀稳定的溶液，经无水乙醇洗涤数次后得到五角星结构的AuCu合金催化剂，所述表面活性剂为十六胺或十八胺，四氯金酸水合物与氯化铜的投料质量比为2:1-3:1，该AuCu合金催化剂为具有5个尖端的五角星结构，平均直径在17-23mm之间，增加了活性位点进而提高了催化剂的催化活性；
步骤S2：向步骤S1得到的备用液中加入XC-72炭黑，搅拌分散均匀后于室温下静置，待上清液澄清后吸出上清液，沉淀到底部的黑色沉淀在真空干燥箱中于45℃干燥得到负载到炭黑上的AuCu合金催化剂。
2.根据权利要求1所述的五角星结构的AuCu双金属电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述四氯金酸水合物与氯化铜的投料质量比为20:7。
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