[发明专利]一种铂铜双金属纳米材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种铂铜双金属纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

铂及其双金属纳米催化剂由于其高效的还原和氧化作用，在多相催化，光催化及电催化领域的应用非常广泛。在反应中除了尺寸外，铂及其双金属纳米晶体的形貌对催化和电催化的活性和选择性也起到了关键的作用。调变合成单一形貌催化剂的条件，如稳定剂、还原剂和表面活性剂等，对于调控纳米粒子的形貌至关重要。贵金属铂是提供催化活性的基本元素，降低催化剂的成本决定着铂催化剂的实用性。铜的添加不仅可以提高催化剂的活性和选择性，还可以降低生产成本，因此铂铜双金属纳米颗粒及其形貌的可控合成和应用研究受到国内外研究学者的广泛关注。

利用多元醇的弱还原性来合成具有不同形状的铂纳米晶是一种重要而又经典的方法。该方法最常见的是用PVP作为稳定剂，与前躯体一起溶解在乙二醇等醇溶液中，溶剂作为还原剂的反应。一方面PVP作为稳定剂，可防止铂粒子团聚长大，另一方面，通过对某些晶面的保护来控制纳米粒子的形状。这种方法经常辅以金属或非金属离子来精确控制纳米晶的形状，如Fe³⁺(参见Han S B，Song Y J，Lee J M，et al.Electrochem.Commun.，2008，10：1044)、Ag⁺(参见Song H，Kim F，Yang P D，et al.J.Phys.Chem.B，2005，109：88)等。利用这些金属在某些晶面上的特性吸附或与铂的氧化还原反应来达到控制晶面生长速度的目的。被还原的Fe、Ag等金属可以通过离心、浓硝酸刻蚀等方法除去，不会引入这些金属的干扰。不同形状的铂纳米晶也可以通过改变反应条件控制反应动力学参数得以实现。还原速率相对较快时，晶核易于形成热力学稳定的平截八面体形状；而还原速率较慢时，稳定剂的作用更明显。Herricks等发现添加不同量的NaNO₃可以调节多元醇法制备的铂纳米晶的形状，NaNO₃可以被还原为亚硝酸盐并与Pt(II)和Pt(IV)形成稳定的络合物，从而降低铂的还原速率，使得铂纳米晶的不同晶向生长速率发生变化，最终生成不同形状的铂纳米晶(参见T.Herricks，J.Chen and Y.Xia，Nano Lett.，2004，4，2367)。

用此经典方法实现双金属铂铜的形貌调控鲜有报道，而小于10nm的多足形貌的铂铜双金属纳米粒子的合成及应用至今仍无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双金属纳米材料及其制备和应用；

为实现上述目的，本发明提供一种多足状铂铜双金属纳米材料，该多足状(多足状：文献中将其描述为polypod或multipod)结构大小4-10nm，组分比例可控，铂铜双金属中铂铜摩尔比例为5∶1-1∶5。

本发明的又一目的在于提供一种制备多足状铂铜双金属纳米结构的方法，该方法原料价廉易得，环境友好，操作简便。

本发明提供的一种多足状铂铜双金属纳米结构的制备方法，其具体步骤为：

1)取多元醇溶液，加入1-10倍铂摩尔量的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)和少量碱液(少于0.5ml，或不加)，加入可溶性铜前躯体，空气或氩气气氛下加热至140℃-180℃；

2)将可溶性铂前躯体水溶液注入到多元醇热溶液中，维持此温度搅拌反应1-3小时；其中铂铜摩尔比例为1/10-10/1；

3)在热溶液中反应1-3小时后降温至室温，用丙酮将纳米颗粒沉降出来，纳米颗粒用水和乙醇洗掉PVP。

所述多元醇为乙二醇、1，2-丙二醇、1，5-戊二醇、二乙二醇、三甘醇、四甘醇中的一种；所述PVP为分子量为28k和55k中的一种；所述的碱液为具有一定浓度的氢氧化钠、四甲基氢氧化铵和四乙基氢氧化铵水溶液中的一种；

所述可溶性铂前躯体为氯铂酸和氯铂酸钾中的一种；

所述可溶性铜前躯体为氯化铜和硝酸铜中的一种。

所述反应体系中氯铂酸根的浓度为1-20mM。

所述纳米材料可作为催化剂用于燃料电池中的电催化反应，具有优良的电催化活性。

对本发明提供的纳米材料的电化学测试方法如下：

工作电极的制备：以旋转圆盘玻碳电极为工作电极，将权利要求1或2所述的纳米材料分散在乙醇溶液中，移取适量涂抹在玻璃圆盘电极上，待乙醇蒸发后再涂上Nafion乙醇溶液。