[发明专利]一种纳米粒子碳纳米管复合物催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及提供一种纳米粒子碳纳米管复合物催化剂的制备方法。

背景技术

纳米粒子(nanoparticles，简称NPs)是指尺寸在1～100nm范围内的分子聚集体，纳米粒子的研究是一门新兴的科学，纳米粒子以其独特的光学，电学，声学，磁学，催化等性质日益受到人们的重视。在纳米粒子的众多的应用领域中，纳米催化是纳米粒子研究的中心领域之一。作为一类新型催化剂材料，纳米粒子具有高比表面积，表面能，所以其具有很高的活性；纳米粒子的种类丰富，且形貌和尺寸都可控，使其具有催化种类的多样性和优良的选择性的特点，纳米粒子已经广泛的用于催化各种类型的反应了，诸如氧化，加氢反应，电子传递，以及燃料电池等诸多反应。然而在这些催化反应中，所用的纳米粒子一般都是球形或形貌不确定的纳米粒子，尺寸和形貌可控的纳米材料没有受到足够的重视。由于形貌决定了纳米粒子的晶面构造，所以纳米粒子的催化性能在取决于纳米粒子的粒径同时，也取决于纳米粒子形貌。众所周知的是纳米粒子的各种性质和纳米粒子的尺寸和形貌密切相关，因此合成尺寸形貌可控的纳米粒子及其在催化领域应用是极其重要的。

在不牺牲催化性能的前提下，尽可能使用少的催化剂，从而节约成本，这是催化领域一个重要的目标。将催化剂负载到各种的基底上的方法是一种有效提高催化剂性能的途径。在各种的基底中，碳纳米管(carbon nanotubes，简称CNTs)受到了人们的很大重视。碳纳米管是由sp²杂化的碳原子形成的石墨表层卷曲而成的中空的管体.根据所含石墨层数的不同，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes，简称：SWNTs)，双壁碳纳米管(double-walled carbon nanotubes，简称：DWNTs)，多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes，简称：MWNTs)。自从1991年，Iijima发现碳纳米管以来，这种新型材料引起物理，化学，材料学家的广泛兴趣。碳纳米管一维特性和以石墨片卷曲的手性角，导致其拥有独特的电子输送特性，力学，弹性，以及拉曼光谱等性质。碳纳米管的独特性质使其有望在催化领域得到广泛的应用，有研究表明碳纳米管比炭黑具有更好的抗腐蚀效果，对氧还原具有明显的催化效果，这些特性使碳纳米管非常适合做纳米粒子催化剂的基底。

近年来，在碳纳米管上负载纳米粒子催化剂技术的成功和突破大大推进了纳米材料在催化领域的应用。然而碳纳米管难以溶于一般溶剂且具有高的曲率半径，使得在其表面负载纳米粒子催化剂困难重重。目前在碳纳米管上负载纳米粒子催化剂的常用技术有这么几种：

(1)浸渍法，即将碳纳米管放入催化剂前体溶液中充分浸渍，根据催化剂种类不同，分别采取还原，水解等方法处理催化剂前提，从而制备负载在碳纳米管上的单分散纳米材料催化剂。但是该方法在碳纳米管上负载催化剂的量很少。(2)化学法及其相关改进型的方法。化学法是制备碳纳米管负载纳米粒子催化剂的基本方法之一。基本过程为首先将碳纳米管在硝酸和硫酸中回流或超声，使碳纳米管表面产生诸如羧基，羰基，羟基等功能集团。之后经过处理的碳纳米管可以通过还原，水解等手段负载不同种类的纳米粒子。在碳纳米管强酸处理过程中，碳纳米管的SP²杂化被破坏，碳纳米管内在的物理性质发生变化。(3)电化学沉积。电化学沉积方法是一种简单而高质量的在碳纳米管上沉积纳米粒子的方法，但是存在一些诸如在电沉积过程中伴随着H⁺的还原，沉积的量和理论值有所差别。

综上所述，传统的在碳纳米管上沉积纳米粒子催化剂的方法有很多不足之处，更为重要的是以上方法几乎都没有考虑形貌尺寸可控的纳米材料催化剂，使用已有的方法难以负载形貌尺寸可控的纳米粒子催化剂在碳纳米管上。成功在碳纳米管上负载形貌尺寸可控的纳米材料催化剂，无论是对提高催化剂的催化性能，还是对拓展形貌尺寸可控的纳米材料的应用，都具有重大意义。

发明内容