CN114162784B - 一种钯氢化合物的绿色制备方法及其应用 - Google Patents

一种钯氢化合物的绿色制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钯氢化合物的绿色制备方法及其应用，属于合金合成领域。本发明制备方法包括以下步骤：(1)将乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮，钯盐和甘氨酸混合，超声溶解得到混合物A；(2)将混合物A置于容器中在120‑160℃油浴中反应2‑10h，得到混合物B；(3)将混合物B降至室温，离心获得的沉淀；(4)将沉淀洗涤干燥得到PdHx。本发明通过简单的一步法合成，产物长期放置仍能保持形貌和晶型结构稳定，H未逸出。制备过程绿色安全，不涉及有毒反应物的使用。PdHx的绿色合成不受钯源的限制，选择不同钯源，产物结构不变，适合大规模制备。调变反应温度和时间能可控和合成不同含氢量的PdHx，将其应用到电催化醇类氧化反应表现出优异的催化性能和稳定性。

Description

一种钯氢化合物的绿色制备方法及其应用
技术领域
本发明属于合金合成领域，具体涉及一种钯氢化合物的绿色制备方法及其应用。
背景技术
贵金属是目前电催化性能最高的催化剂，钯在醇类氧化、氧还原反应、析氢反应等催化领域应用十分广泛，具有出色的抗CO毒化特点，在一些催化应用中可表现出比铂更为优异的电催化活性。但是钯储量有限，价格昂贵，严重限制了钯的广泛应用。众所周知，电子结构是决定催化剂催化性能的本质因素。钯与H具有较强的结合特性，将氢与钯合金化改变钯的结构，进而调控钯催化剂电子结构，能显著改变反应中间体的吸附行为，使其电催化性能优于单金属或多金属合金。
虽然到目前为止，研究人员已探索出多种方法制备稳定的钯氢化合物，但是制备方法还普遍存在以下问题：1)以易燃氢气为氢源，将钯直接暴露在氢气氛围中，该方法存在一定的安全隐患，且所得到的PdHx产物不稳定，甚至在室温下，12h后氢就完全逸出(NanoRes.2015,8(8),2698-2705)；2)使用有毒氢化试剂如甲醛、N,N-二甲基甲酰胺、正丁胺会造成环境和安全问题，且该方法多以两步合成为主，过程较为繁琐(J.Am.Chem.Soc.2020,142(7),3645-3651；J.Am.Chem.Soc.2015,137(50),15672-15675；Nano energy 2018,44,127-134)；因此，发展一种简单高效、安全、稳定的PdHx纳米材料制备方法，对于探究非金属元素氢及几何结构对催化剂电子结构、催化性能的影响，开发高效、经济的钯基催化剂具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种绿色合成结构和形貌稳定的钯氢化合物的方法。该方法制备过程简单、绿色、安全，产物应用电催化醇类氧化能表现出高的催化活性和稳定性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种钯氢化合物的绿色制备方法，包括以下步骤：
(1)将乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮，钯盐和甘氨酸进行混合，超声分散得到混和物A；
(2)将混合物A在120-160℃的温度下反应2-10h，得到混合物B；
(3)将混合物B降至室温，离心，取沉淀；
(4)洗涤并干燥步骤(3)所得沉淀，得到钯氢化合物。
上述方法采用以乙二醇为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，甘氨酸为氢源与钯盐反应，通过溶剂热法一步合成的钯氢化合物。制备过程简单，产物结构和形貌稳定。等比例放大反应，样品结构和形貌均保持不变，适合大规模制备。制备过程绿色安全，不涉及有毒氢源的使用，也没有其他有毒性的添加剂。通过调变反应温度和时间可控和合成不同含氢量的钯氢化合物。将其应用到电催化醇类氧化表现出优异的催化性能和稳定性。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，乙二醇的体积与聚乙烯吡咯烷酮的质量的比为1L:10g。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，钯盐为氯钯酸钠和二氯化钯中的任意一种。
作为本发明制备方法的更优选实施方式，所述步骤(1)中，钯盐为氯钯酸钠。
发明人经过研究发现，钯盐的种类并不影响最终的产物的形成。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，混合物A中甘氨酸的浓度与钯盐的浓度比为20:1。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，混合物A中甘氨酸的浓度为200mmol/L；混合物A中钯盐的浓度为：10mmol/L。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，将混合物A在120℃下进行反应，反应时间为10h，制备得到PdHx(X＝0.13)。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，将混合物A在140℃下进行反应，反应时间为10h，制备得到PdHx(X＝0.34)。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，反应的温度为160℃，反应时间为2h，制备得到PdHx(X＝0.19)。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，反应的温度为160℃，反应时间为4h，制备得到PdHx(X＝0.26)。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，反应的温度为160℃，反应时间为6h，制备得到PdHx(X＝0.36)。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，将混合物A在160℃下进行反应，反应时间为8-10h，制备得到PdHx(X＝0.43)。
发明人经过研究发现，控制反应温度和时间可以合成不同含氢量的钯氢化合物。120度10h制备得到PdH0.13、140度10h制备得到PdH0.34、160度2h制备得到PdH0.19、160度4h制备得到PdH0.26、160度6h制备得到PdH0.36、160度8-10h制备得到PdH0.43。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(3)中，将混合物B降至室温，离心获得的沉淀样品，离心条件为：转速为13000rpm，时间为5min。
作为本发明制备方法的优选实施方式，所述步骤(4)中，沉淀洗涤干燥条件为：乙醇洗1～2遍，60℃烘干。
第二方面，本发明还提供了所述钯氢化合物在电催化醇类氧化中的应用。
作为本发明醇类氧化中应用的优选实施方式，所述醇类包含甲醇或乙醇。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种绿色合成稳定的钯氢化合物的制备方法及应用，以乙二醇为溶剂，钯盐为钯源，甘氨酸为氢源，再加入聚乙烯吡咯烷酮，通过溶剂热法一步合成的钯氢化合物。
(2)制备过程非常简单，所得样品常温长时间放置仍能保持晶型结构稳定，H未逸出。等比例放大反应，样品结构和形貌均保持不变，适合大规模制备。
(3)本发明制备方法绿色安全，不涉及有毒氢源的使用，也没有其他有毒性的添加剂。
(4)本发明在同一反应体系下，通过改变反应温度和时间可以得到不同含氢量的钯氢化合物。将产物应用电催化醇类氧化表现出较商用Pd/C优异的高催化活性和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1中PdH0.43透射电镜图。
图2为本发明实施例1中PdH0.43的X射线衍射数据。
图3为本发明实施例1与对比例2中PdH0.43放置6个月前后的X射线衍射数据。
图4为本发明实施例1和商业Pd/C在0.1M KOH和1.0M乙醇溶液中的CV曲线(扫速为50mV/s)。
图5为本发明实施例1和商业Pd/C在0.1M KOH和1.0M甲醇溶液中的CV曲线(扫速为50mV/s)。
图6为本发明实施例2中PdH0.19的X射线衍射数据。
图7为本发明实施例3中PdH0.26的X射线衍射数据。
图8为本发明实施例4中PdH0.36的X射线衍射数据。
图9为本发明实施例5中PdH0.13的X射线衍射数据。
图10为本发明实施例5中PdH0.13的透射电镜图。
图11为本发明实施例6中PdH0.34的X射线衍射数据。
图12为本发明实施例不同含氢量样品(PdHx)的X射线衍射数据对比图。
图13为本发明实施例7中PdH0.43的X射线衍射数据。
图14为本发明对比例3和对比例4中PdH0.43放置3个月前后的X射线衍射数据。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。下列实施例对比例中使用的试剂均可从商业渠道购买得到。
实施例1
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，所述PdHx纳米材料的制备方法包括以下步骤：将6ml乙二醇，60mg聚乙烯吡咯烷酮，0.06mmol氯钯酸钠和1.4mmol甘氨酸置于容器中，超声使其溶解，再将其放入油浴锅中，加热到160℃，在该温度下反应10h。反应结束后，13000转/分钟离心5分钟乙醇和水洗1～2遍，60℃烘干即可。
作为本发明实施例的一种钯氢化合物的电催化醇类氧化的测试方法，所述方法包括以下步骤：(1)工作电极的制备：将5mg催化剂(1mg样品+4mg碳黑)分散到2mL水、异丙醇和nafion(150:800:50)的混合物中，超声均匀后，移取4uL悬浮液滴涂在打磨好的玻碳电极表面，自然晾干后进行电催化测试。(2)性能测试：采用三电极测试方法，以涂有催化剂的玻碳电极为工作电极，参比电极为饱和甘汞，对电极为Pt片，电解液为0.1M KOH和1.0M甲醇或乙醇的水溶液，展开循环伏安法(CV)测试。CV测试区间为-0.97V至0.3V，扫描速度50mV/s。测1000圈循环伏安法测试后的CV曲线评估长期循环催化剂的稳定性。
实施例2
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将反应时间改为2h外，其余制备方法均与实施例1相同。
实施例3
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将反应时间改为4h外，其余制备方法均与实施例1相同。
实施例4
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将反应时间改为6h外，其余制备方法均与实施例1相同。
实施例5
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将反应温度改为120℃外，其余制备方法均与实施例1相同。
实施例6
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将反应温度改为140℃外，其余制备方法均与实施例1相同。
实施例7
作为本发明实施例的一种PdHx纳米材料，本实施例除了将钯盐改为二氯化钯，反应温度改为8h外，其余制备方法均与实施例1相同。
对比例1
作为本发明对比例，采用的商用Pd/C(10％,Acros公司生产)。
对比例2
作为本发明对比例的一种PdHx纳米材料，本对比例是将实施例1制得的PdH0.43纳米材料在室温下放置6个月得到。
对比例3
作为本发明对比例的一种PdHx纳米材料，本对比例是将已经制备好的Pd纳米粒子置于10mL N,N-二甲基甲酰胺(99.9％DMF，由Innochem公司生产)溶液中，160度加热16h得到PdH0.43。所述Pd纳米粒子的制备方法为：105mg PVP、60mg抗坏血酸和400mg KBr加入到8mL水中，在80℃下搅拌10min。再加入3mL含有57mg氯钯酸钠的水溶液，在80℃下继续反应3h。自然冷却至室温，离心获得的沉淀样品即为Pd纳米粒子。离心条件为：转速为10000rpm，时间为3min。
对比例4
作为本发明对比例的一种PdHx纳米材料，本对比例是将对比例3制得的PdH0.43纳米材料在室温下放置3个月得到。
1)钯氢化合物形貌结构分析
如图1所示为实施例1制备得到钯氢化合物的透射电镜图，由图可得产物为均匀的纳米颗粒形貌。图2为实施例1所得产物的X射线衍射数据，产物的出峰位置均与PdH0.43的标准卡片(PDF 87-637)对应，且无明显的杂峰。结合图1表明，实施例1确实制备出纯相的PdH0.43纳米颗粒。图3为实施例1制备得到的PdH0.43纳米颗粒与对比例2(即实施例1放置6个月后产物)的X射线衍射数据对比。由图3室温放置6个月前后样品的XRD对比可得，放置后虽结晶度略有下降，但样品的晶型并未发生改变，H未逸出。图14为对比例3制备得到的PdH0.43纳米颗粒和其放置3个月后的产物对比例4的X射线衍射数据对比。由图14可得，DMF氢化制备出的PdH0.43纳米颗粒放置3个月后，其结构已经变成Pd和PdH0.43的混合物，且大部分PdH0.43转变成了Pd，表明H部分逸出，此方法获得的PdH0.43结构并不稳定。这进一步表明本发明制备方法得到的PdH0.43具有高的结构稳定性。为了进一步研究PdH0.43的形成机制，制备了实施例2-4不同反应时间的样品。通过对比图6-8及图11发现，实施例2-4反应时间分别为2h、4h、6h制备得到的样品，其X射线衍射峰位随着反应时间的进行逐渐向小角度偏移，时间越长，偏移程度越大。通过与标准卡片(PDF 46-1043)与(PDF 87-637)的对比，实施例2-4在40度左右的出峰位置分别约为39.64°、39.47°、39.27°，对应产物分别为PdH0.19、PdH0.26、PdH0.36。在本反应体系中，甘氨酸在一定温度下可分解为氢气，原位生成的氢分子在钯表面解离成氢原子，钯对氢有着强烈的结合力，最终氢原子被限制在钯晶格中。钯晶格因氢的嵌入发生膨胀，即表现出随着含氢量的增高，X射线衍射峰位逐渐向小角度偏移的现象。进一步通过调变反应温度可以制备出氢含量更少的钯氢化合物。如图9所示实施例5得到的产物的XRD表明产物为PdH0.13，其形貌如图10所示，为直径20nm以下均匀的纳米颗粒。图11为实施例6得到产物的XRD表征，该产物H含量约为0.34。图12不同时间及温度反应后的样品(PdHx)X射线表征对比结果表明，随着温度的升高及反应时间的延长，钯氢化合物中氢的含量逐渐增多，最终形成PdH0.43。这是因为高温和长反应时间有利于甘氨酸分解程度加深，和氢原子嵌入钯晶格的过程。由图13中实施例7的XRD可得，在160度8h制备得到PdH0.43，钯盐的种类并不影响最终的产物的形成。
2)性能测试结果
如图4所示，PdH0.43和商业Pd/C在0.1M KOH和1.0M乙醇溶液中的CV曲线。通过对比发现，PdH0.43峰电压在-0.185V(相对于甘汞电极)处，峰电流密度约为26.5mA/cm2，经过1000次CV循环后，电流密度为20.5mA/cm2，商业Pd/C峰电压在-0.265V，电流密度仅为8.57mA/cm2。PdH0.43经过1000次CV循环后，电流密度为20.5mA/cm2，仍具有高于商业Pd/C的催化活性，且表现出良好的催化活性和稳定性。如图5所示，进一步测试对甲醇的催化氧化性能，对比发现PdH0.43峰电压在-0.1V(相对于甘汞电极)处，峰电流密度约为11mA/cm2，经过1000次CV循环后，电流密度为5.4mA/cm2，商业Pd/C在此电压下的电流密度为6.2mA/cm2，上述数据对比表明PdH0.43在甲醇氧化中也具有较高的催化活性和稳定性。
PdH0.43纳米催化剂活性的增强是由于H在Pd中的嵌入导致d带中心下降，减弱了PdH0.43表面与反应吸附物的结合强度，从而产生了较高的催化活性和氧化电位的负移。因此与商业Pd/C相比，PdH0.43表现出较低的起始电位，较高的峰电流密度，以及非常好的催化稳定性，为高性能燃料电池提供了有前景的电催化剂。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种钯氢化合物的绿色制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将乙二醇，聚乙烯吡咯烷酮，钯盐和甘氨酸进行混合，超声分散，得到混合物A；
（2）将混合物A在120-160℃的温度下反应2-10h，得到混合物B；
（3）将混合物B降至室温，离心，取沉淀；
（4）洗涤并干燥步骤（3）所得沉淀，得到PdHx；
所述步骤（1）中，混合物A中乙二醇、钯盐和甘氨酸的用量比例为6mL：0.06 mmol：1.4mmol。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，乙二醇的体积与聚乙烯吡咯烷酮的质量的比为1L:10g。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，钯盐为氯钯酸钠和二氯化钯中的任意一种。
4.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，反应的温度为160℃，反应时间为8-10h。
5.如权利要求1~4任一项方法制备得到的钯氢化合物在电催化醇类氧化中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述醇类为甲醇和乙醇中的任意一种。
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