[发明专利]一种聚烯丙基胺导向的铂纳米立方体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铂纳米粒子的制备方法，尤其涉及一种聚烯丙基胺导向的铂纳米立方体（Pt-Nanocubes）的制备方法，该铂纳米粒子作为催化剂对氧气的电化学还原（ORR）展现出较高的催化活性和稳定性。

背景技术

形状可控的铂基纳米粒子因具有独特的表面结构而显示出优越的物理和化学特性，对许多催化反应具有高选择性和催化活性，因此，在能源和环境等重要领域，如石油工业、汽车尾气净化、燃料电池中作为催化剂被广泛使用。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）由于具有较高的能量转化效率、低工作温度、低污染排放而受到越来越多的关注。在PEMFCs 中，氧还原反应（ORR）是最重要的反应之一。从反应动力学角度看，催化剂的催化活性和稳定性是ORR的一个重要参数，它影响着PEMFCs 的效率和商业化。因此，发展具有高催化活性和稳定性的催化剂对于PEMFCs 性能的提高是非常必要的。然而，由于铂储量稀缺，如何在提高铂基催化剂的活性和选择性前提下降低铂的用量仍是该领域的研究热点。

根据先前研究表明：由于晶面效应和面积效应，Pt纳米结构的催化活性与其形貌和粒径密切相关，因此，设计形貌和粒径可控的Pt纳米结构在提高铂基催化剂的活性和选择性前提下降低铂的用量显得至关重要。例如：有{100}晶面构成的小尺寸的Pt立方体纳米粒子在H₂SO₄介质中对氧还原反应表现出较好的电催化活性和稳定性。目前，不同形貌的Pt纳米结构，如纳米四面体、纳米八面体、纳米球、纳米线、纳米空心球及纳米立方体，已经用不同的合成方法（包括模板法、晶种法、化学还原法、溶胶-凝胶法和热分解法）制备得到。

本发明旨在提出一种通过水热法合成铂立方体纳米结构的方法。这种方法具有简单、经济且能大规模生产的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚烯丙基胺导向的铂纳米立方体的制备方法，通过一种简单有效的水相溶液还原方法制备出具有均匀并且形貌、尺寸及组成可控的铂金属纳米材料，对ORR反应展现出优异的电催化活性和稳定性，以满足有关领域应用和发展的要求。

本发明采用如下技术方案：一种聚烯丙基胺导向的铂纳米立方体的制备方法，其特征在于：将聚烯丙基胺盐酸盐（PAH）和K₂PtCl₄超声混合形成水溶液，调节溶液PH，制得PAH-Pt^II配合物溶液；PAH-Pt^II配合物溶液中加入还原剂HCHO，随后放入水热反应釜中进行水热反应，产物分离、洗涤、干燥即得所述的铂纳米立方体。

更具体地说，本发明的一种聚烯丙基胺导向的铂纳米立方体的制备方法，包括以下步骤：

（1）合成PAH-Pt^II金属配合物：将聚烯丙基胺盐酸盐（PAH）与K₂PtCl₄超声混合形成水溶液，调节溶液pH至3-9，制得PAH-Pt^II配合物溶液；

 （2）PAH-Pt^II配合物的还原：PAH-Pt^II配合物溶液中加入还原剂HCHO，随后放入水热反应釜中；反应釜加热进行水热反应，使PAH-Pt^II配合物与HCHO完全反应，金属Pt^II离子还原后得到黑色悬浮物；

（3）后处理：黑色悬浮物离心分离、洗涤后，真空干燥，即得所述的铂纳米立方体。

所述的聚烯丙基胺盐酸盐（以烯丙基胺单体计）与K₂PtCl₄的摩尔比优选为10: 1～40: 1。

所述的聚烯丙基胺盐酸盐的分子量为3000～150000，优选15000～150000。例如选择分子量为15000、30000、60000、90000或150000的PAH。

所述的HCHO与K₂PtCl₄的摩尔比优选为为25: 1～2500: 1。

所述的水热反应温度优选为120^oC～160^oC。

本发明方法采用聚烯丙基胺盐酸盐（PAH）作为络合剂、稳定剂和形貌引导剂，以HCHO为还原剂，采用水热还原法制得形状规整、尺寸均一的铂纳米立方体结构。由于铂立方体纳米粒子表面修饰了氨基基团，通过氨基基团之间的静电排斥以及氨基基团自身出色的亲水性，有效的提高了铂纳米粒子在水溶液中的分散性与稳定性。