CN112692299A - 螺旋状铂基多元金属纳米线及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有高指数晶面的螺旋状铂基多元金属纳米线及其制备方法和应用。以铂前驱盐、可溶性金属盐为前驱体以及十六烷基三甲基氯化铵为表面活性剂、葡萄糖为还原剂，在油胺中搅拌、超声50～60分钟后，置入室温油浴锅，从室温加热至120～140℃，反应1～6小时，然后在保持温度不变的情况下加入铑前驱盐分散液，之后从该温度加热至150～180℃，反应5～7小时，自然冷却，经正己烷和乙醇洗涤离心后得到产物。产物为螺旋状多元金属纳米线，长度为800～1000nm，螺纹宽度为12～14nm。该材料具有优异的甲醇电氧化催化活性和稳定性。

Description

螺旋状铂基多元金属纳米线及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于催化材料制备技术领域，具体涉及铂基多元金属纳米材料。
背景技术
铂基贵金属因其优异的物理化学性能被广泛应用于电催化能源转化等众多领域，如燃料电 池、电解水、二氧化碳电还原等。其中因能量转化效率高、清洁无污染等优势的直接甲醇燃料 电池被认为是能够解决21世纪以化石能源为供应链的能源与环境污染问题的有效方式。铂被 公认为具有最优活性的组分，但是在这个催化反应中铂容易中毒以致最后失去活性，这使得铂 的利用率大幅度下降。所以人们致力于开发一种高效稳定的催化剂，同时兼具降低贵金属Pt 使用量的优势，最终达到节约成本和高效产能的目的。另一方面，活性和稳定性一直是考量催 化剂性能的两个重要指标，但是想要同时满足高催化活性和稳定性并非易事。对于多相催化和 电催化反应，铂基高活性催化剂的稳定性一般并不理想。
现阶段关于提升催化剂活性的方法有很多(Z.W.She,J.Kibsgaard,C.F.Dickens,I. Chorkendorff,J.K.
Figure BDA0002844415450000011
T.F.Jaramillo,Science,2017,355,eaad4998.)，总结为以下两点： 一方面是增加催化剂的活性位点数，主要策略是将催化剂的尺寸减小到纳米尺度或者亚纳米尺 度以期获得最大化的表面原子暴露比。高发明课题组(L.G.Zhang,N.Li,F.M.Gao,L.Hou,Z. M.Xu,J.Am.Chem.Soc.2012,134,28.)报道合成了一种超细铂纳米线，相比于商业化铂碳 具有显著提升的甲醇电氧化活性。另一方面是提高催化剂活性位点的本征活性，最常见的方式 是将过渡金属和铂合金化。其优势在于非贵金属元素(如铁，钴，镍等)的引入可有效地利用 不同组分的电子效应或者应力效应来提高催化剂的活性。(P.P.Yang,X.L.Yuan,H.C.Hu,Y.L. Liu,H.W.Zheng,D.Yang,L.Chen,M.H.Cao,Y.Xu,Y.L.Min,Y.G.Li,Q.Zhang,Adv. Funct.Mater.2018,28,170477.)还有一种可以有效提高催化剂本征活性的方法是构筑具有高 指数晶面的催化剂。高指数晶面因为本身在晶体生长过程的特殊性而具有较高的表面能，使得 反应物在这些晶面上更加容易反应。目前已有一些相关文献作出报道，沈培康课题组(H.Y.Du, S.P.Luo,K.Wang,M.Tang,R.Sriphathoorat,Y.S.Jin,P.K.Shen,Chem.Mater.2017,29, 9613-9617.)报道制备了一种内凹的铂钴纳米立方体，拥有大量高指数晶面并且具有良好的催 化性能。
但是以上几种催化剂的设计仍存在不足。首先，催化剂的尺寸不是越小越好。无论是纳米 线还是纳米晶，过小的粒径会导致催化剂容易团聚，从而导致催化活性下降。另外，在电催化 过程中贱金属元素相比于贵金属元素更加容易溶出，导致铂基合金催化剂组分和形貌发生改变。 这些都有可能导致催化剂性能的下降。同时在晶体生长过程中纳米晶自身要保持一个低能量的 状态，所以它一般不会拥有稳定的高指数晶面。并且在电催化过程中，高指数晶面也会因为催 化剂在不同的电位的扫描而发生改变甚至消失。
因此，如何有效地构筑高比例的催化活性位点、合理地设计具有高指数晶面的铂基合金催 化剂，使其兼顾拥有优异的催化活性和稳定性成为丞待解决的重要科学难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了螺旋状铂基多元金属纳米线及其制备 方法和应用，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题的技术方案之一是：
一种螺旋状铂基多元金属纳米线的制备方法，将包括了铂前驱盐、可溶性金属盐、表面活 性剂十六烷基三甲基氯化铵、还原剂葡萄糖和油胺的第一分散液在120～140℃反应1～6小时； 在保持温度不变的情况下向其中加入包括了铑前驱盐和油胺的第二分散液，随后在150～180℃ 反应5～7小时，冷却，分离得到螺旋状铂基多元金属纳米线。
本发明一较佳实施例中，所述铂前驱盐包括乙酰丙酮铂。
本发明一较佳实施例中，所述可溶性金属盐包括乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍中的至少一种。
在本发明一较佳实施例中，所述铑前驱盐包括乙酰丙酮铑。
本发明一较佳实施例中，所述第一分散液中，金属前驱盐、葡萄糖、十六烷基三甲基氯化 铵、油胺的配方比例为10～15mg:50～70mg:30～35mg:4～6mL；所述金属前驱盐包括所述铂 前驱盐和所述可溶性金属盐。
本发明一较佳实施例中，所述第二分散液中，铑前驱盐、油胺的配方比例为0.1～1mg:2mL， 例如为0.1～0.5mg:1～3mL。
本发明一较佳实施例中，所述第一分散液中，铂前驱盐与可溶性金属盐的质量比为8～ 12:2～3。
本发明一较佳实施例中，所述第一分散液中的金属前驱盐与所述第二分散液中的铑前驱盐 的质量比为10～15:0.1～1；所述金属前驱盐包括所述铂前驱盐和所述可溶性金属盐，且铂前驱 盐与可溶性金属盐的质量比为8～12:2～3。
本发明一较佳实施例中，所述冷却方式为自然冷却。所述冷却后，经正己烷和乙醇洗涤离 心，从而分离得到螺旋状铂基多元金属纳米线。
具体的实验方法例如如下：
(1)溶解：取铂前驱盐乙酰丙酮铂、可选可溶性金属盐乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍的固体 样品，以及表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵、还原剂葡萄糖，在油胺中溶解、分散，得到第 一分散液。取铑前驱盐乙酰丙酮铑的固体样品在油胺中溶解分散，得到第二分散液；
(2)混合：将步骤(1)中的第一分散液进行搅拌、超声50～60分钟，使其混合均匀。
(3)反应：将步骤(2)中的混合均匀的第一分散液置入室温油浴锅，从室温加热至120～ 140℃，反应1～6小时；
(4)待步骤(3)中反应完成，在保持温度不变的情况下将步骤(1)中的第二分散液直 接加入其中，之后从该温度加热至150～180℃，例如150～160℃，反应5～7小时，自然冷却。
(5)洗涤：将冷却后的样品用正己烷与乙醇的混合液(正己烷与乙醇的体积比为2:1)清 洗2～3遍，分散在正己烷中。
本发明解决其技术问题的技术方案之二是：
一种根据上述制备方法所制备的螺旋状铂基多元金属纳米线，其长度为800～1000nm，螺 纹宽度为12～14nm。
本发明解决其技术问题的技术方案之三是：
一种上述的螺旋状铂基多元金属纳米线作为甲醇电催化氧化中的催化剂的应用。
本发明所涉及的设备、试剂、工艺、参数等，除有特别说明外，均为常规设备、试剂、工 艺、参数等，不再作实施例。
本发明所列举的所有范围包括该范围内的所有点值。
本发明中，所述“室温”即常规环境温度，可以为10～30℃。本技术方案与背景技术相 比，它具有如下优点：
本发明提供一种一锅两步合成的方法，先以各金属的前驱盐为金属源，在表面活性剂与还 原剂的作用下，控制合成铂钴或铂镍二元金属超细纳米线。再添加第三类金属的溶液，在超细 纳米线的基础上生长成铑掺杂的铂钴螺旋状纳米线或铑掺杂的铂镍螺旋状纳米线。该方法绿色 安全，简单易行，并且可以有效地降低贵金属铂的用量，又其拥有较大比表面积、高的原子暴 露比、特殊的电子结构、进而有着突出的催化性能。
附图说明
图1为实施例1的产物的表征，其中a为100k倍率下透射电子显微镜图(TEM)，b为200 k倍率下透射电子显微镜图。
图2为实施例2的产物的表征，其中a为透射电子显微镜图(TEM)，b为高角度环形暗场 扫描透射电子显微镜图(HAADF-STEM)。
图3为实施例2的产物的X射线粉末衍射图(XRD)。
图4为实施例2的产物的能量色散谱图(EDS)。
图5为实施例2的产物的能谱分析面扫描图(STEM-EDS)，其中a为能谱分析面扫描图 (STEM-EDS)的选中区块，b为Pt元素分布图，c为Co元素分布图，d为Rh元素分布图。
图6为实施例3的产物的表征，其中a为100k倍率下透射电子显微镜(TEM)图，b为200k倍率透射电子显微镜图。
图7为实施例4的产物的表征，其中a为100k倍率下透射电子显微镜(TEM)图，b为200k倍率下透射电子显微镜图。
图8为各实施例制备的不同催化剂间甲醇电催化氧化性能对比图，其中a为催化剂的循环 伏安曲线图，b为甲醇电催化氧化质量活性图；Pt77Co11Rh12为实施例2的产物，Pt85Co10Rh5为 实施例3的产物，Pt85Co15为实施例4的产物，Pt Black为商业化铂碳催化剂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮钴、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到第一分散液。
在反应瓶中加入10毫克铑前驱盐乙酰丙酮铑、20毫升油胺，超声一小时，得到第二分散 液(0.5mg/mL Rh(acac)3)
将上述第一分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时，随后向其中 加入2mL第二分散液，从130℃升温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温， 用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
产物经TEM等现代纳米测试分析技术对其形貌进行系统的研究。TEM(图1中a、b)表征为螺旋状纳米线，长度800～1000nm，螺纹宽度12～14nm。
实施例2
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮钴、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到第一分散液。
在反应瓶中加入5毫克铑前驱盐乙酰丙酮铑、20毫升油胺，超声一小时，得到第二分散液 (0.2mg/mL Rh(acac)3)
将上述第一分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时，随后向其中 加入2mL第二分散液，从130℃升温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温， 用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
产物经HAADF-STEM、XRD等现代纳米测试分析技术对其形貌、成分、微结构进行系统 的研究。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图(HAADF-STEM)(图2)，能量色散谱图(EDS) (图4)表征产物为12％Rh-doped PtCo螺旋状纳米线，长度800～1000nm，螺纹宽度12～14 nm；能谱分析面扫描图(STEM-EDS)(图5)进一步证实了材料的多组分特征。X射线粉末衍 射图(XRD)(图3)进一步证明了合金结构。
实施例3
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮钴、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到第一分散液。
在反应瓶中加入1毫克铑前驱盐乙酰丙酮铑、20毫升油胺，超声一小时，得到第二分散液 (0.05mg/mL Rh(acac)3)
将上述第一分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时，随后向其中 加入2mL第二分散液，从130℃升温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温， 用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
产物经TEM等现代纳米测试分析技术对其形貌进行系统的研究。TEM(图6中a、b)表征为螺旋状纳米线，长度800～1000nm，螺纹宽度12～14nm。
实施例4
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮钴、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到分散液。
将上述分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时；再从130℃升 温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温，用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
产物经TEM等现代纳米测试分析技术对其形貌进行系统的研究。TEM(图7中a、b)表征为PtCo螺旋状纳米线，长度800～1000nm，螺纹宽度12～15nm。
实施例5
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮镍、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到第一分散液。
在反应瓶中加入5毫克铑前驱盐乙酰丙酮铑、20毫升油胺，超声一小时，得到第二分散液 (0.2mg/mL Rh(acac)3)
将上述第一分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时，随后向其中 加入2mL第二分散液，从130℃升温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温， 用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
实施例6
在25毫升反应瓶中，依次加入60毫克还原剂葡萄糖、32毫克表面活性剂十六烷基三甲基 氯化铵、10毫克铂前驱盐乙酰丙酮铂、2.3毫克可溶性金属盐乙酰丙酮镍、5毫升油胺，磁力 搅拌8分钟，超声一小时，得到分散液。
将上述分散液置于室温油浴锅中，从室温升温至130℃后，反应3小时；再从130℃升 温至170℃，反应6小时。反应结束后，自然冷却至室温，用正己烷和乙醇洗涤离心数次待用。
针对本发明所合成的螺旋状铂基多元纳米线催化剂，探究其在甲醇电催化氧化的应用。
将本发明各实施例制备的样品与商业化铂碳催化剂进行比较。循环伏安测试在室温下于三 电极电解池中进行。实验中所用电解液均为超纯水配制，参比电极为饱和甘汞电极(Hg/Hg2Cl2)， 对电极为铂网电极。每次实验前需要将所用电解质溶液鼓20min以上氮气以达到饱和状态，目 的以除掉电解液中的氧。测试条件为：电化学测试之前，将均匀铺展纳米催化剂的工作电极置 于新鲜配制已经除氧的0.1M HClO4水溶液中进行电化学清洗(在-0.25～0.95V(vs.SCE)区间， 扫描速度为50mV/s进行扫描，直到得到稳定的CV图谱)，进一步去除附着在纳米晶表面的有 机吸附物以免其影响催化性能。对于甲醇的电催化氧化测试，电解液为新鲜配制已经除氧的0.5 M甲醇和0.1M HClO4的混合溶液，扫描区间为-0.25～0.95V(vs.SCE,扫描速度：50mV/s)。 在电催化测试结果中，对其甲醇氧化电流进行了质量归一化。
结果如图8所示，表明具有高指数晶面暴露的铑掺杂铂钴纳米线相比于二元铂钴纳米线， 不仅具有高的催化活性，而且在稳定性方面具有显著提升。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明 专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种螺旋状铂基多元金属纳米线的制备方法，其特征在于：将包括了铂前驱盐、可溶性金属盐、十六烷基三甲基氯化铵、葡萄糖和油胺的第一分散液在120～140℃反应1～6小时；在保持温度不变的情况下向其中加入包括了铑前驱盐和油胺的第二分散液，随后在150～180℃反应5～7小时，冷却，分离得到螺旋状铂基多元金属纳米线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铂前驱盐包括乙酰丙酮铂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述可溶性金属盐包括乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铑前驱盐包括乙酰丙酮铑。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一分散液中，金属前驱盐、葡萄糖、十六烷基三甲基氯化铵、油胺的配方比例为10～15mg:50～70mg:30～35mg:4～6mL；所述金属前驱盐包括所述铂前驱盐和所述可溶性金属盐。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二分散液中，铑前驱盐、油胺的配方比例为0.1～1mg:1～3mL。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一分散液中，铂前驱盐与可溶性金属盐的质量比为8～12:2～3。
8.根据权利要求1所述的一种螺旋状铂基多元金属纳米线的制备方法，其特征在于：所述第一分散液中的金属前驱盐与所述第二分散液中的铑前驱盐的质量比为10～15：0.1～1；所述金属前驱盐包括所述铂前驱盐和所述可溶性金属盐。
9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的制备方法所制备的螺旋状铂基多元金属纳米线，其长度为800～1000nm，螺纹宽度为12～14nm。
10.一种权利要求9所述的螺旋状铂基多元金属纳米线作为甲醇电催化氧化中的催化剂的应用。
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