[发明专利]一种高效化学沉积铂或钯单原子层到金基底的方法

说明书

技术领域

本发明属于新型材料技术领域，具体涉及一种沉积铂、钯单原子层到金基底的方法。

背景技术

以铂、钯为代表的铂族元素是化学、化工、能源转化等产业中广泛使用的难以替代的催化剂材料。然而其高昂的价格限制了铂、钯基催化剂更广泛的应用，更重要的是，两者在地壳的储量极其有限，且提取困难，使得二者年产量仅为30吨与24吨，而同时期黄金的年产量为1400吨。

在当今各国争相发展新能源产业的大趋势下，燃料电池作为一种新型、高效的能源转化装置具有极佳的发展前景。其基本原理是在铂、钯基催化材料的作用下，将燃料分子的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转化效率高、无噪音、几乎无有害气体排放等优点，是继水力、核能发电之后的新一代能源技术，也是各国新能源发展战略中的重点之一。

在常见的燃料中，乙醇具有最高的能量密度（8.01kWh/kg），而甲醇及甲酸的能量密度分别为6.09和1.72kWh/kg。同时，甲醇对肝脏具有强烈的毒性及甲酸作为挥发性有机强酸使得其大规模应用受到了限制，而乙醇作为部分饮品的主要成分之一，对人体几乎无毒副作用并且可通过生物质发酵等方式进行批量生产。基于以上优势，直接乙醇燃料电池成为现阶段相关领域研究的热点之一。

近年来，直接乙醇燃料电池催化剂的研究主要集中于通过合金或替代品的方式减少贵金属铂的用量，以降低燃料电池装置的成本。合金类催化剂在制备过程中往往需要添加大量的有机物作为保护剂，不仅会对环境带来负面影响，制备后催化剂的表面清洁往往需要在高温下进行烧结，进一步加剧了能源的消耗。相较于合金类的催化剂而言，核壳结构的催化剂通过将铂原子外延生长于异种材料纳米颗粒基底上，可以有效地减少昂贵的铂的用量，从而提高单位铂金属的催化效率。其中，通过实现单层铂原子的金属-铂单层核壳结构纳米材料，可以实现铂的100%的利用率，同时，核材料与铂壳层的作用能够显著地改变铂催化的效果，从而提供了有效调制铂单位质量活性的方法。基于此，在金属基底可控沉积铂单层的方法受到广泛的关注，并发展了诸如以铜为损耗层的欠电位沉积技术（Cu-UPD）以及利用较负电位下，氢原子在铂上的吸附位阻效应阻碍铂的多层沉积等方法。然而以上方法均需要对沉积基底的电位进行外加的调控，使得大批量，工业化规模的催化剂材料生产效率受到限制。

基于上述情况，发展低铂、钯，高性能的催化材料是当前电化学新能源领域的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单高效化学沉积铂、钯单原子层到金基底的方法。

本发明提供的高效沉化学积铂、钯单原子层到金基底的方法，是利用一氧化碳对亚铂酸与氯钯酸中二价铂、钯的强络合与还原性，在溶液相中大批量的迅速可控地沉积单层铂、钯原子到金基底上。具体步骤为：

首先，对二价铂盐或二价钯盐溶液通入一氧化碳气体至饱和；

然后，将金基底分散或浸入上述溶液，经过1-10分钟，即可得到单层铂或钯覆盖的金材料。

本发明中，所述金基底为金膜，负载或非负载型金纳米颗粒等。

本发明中，铂原子或钯原子在金基底表面具有高覆盖度（大于80%）。

本发明中，二价铂盐溶液为：0.00005-0.0001M氯亚铂酸钾水溶液。

本发明中，二价钯盐溶液为：0.00005-0.0001M氯钯酸钠水溶液。

本发明制备获得的金铂核壳、金钯核壳纳米材料，于X射线衍射测试与高分辨场发射投射电镜测试中，观察不到多层生长铂或钯的特征响应。

本发明制备的金核铂壳、金核钯壳纳米材料具有极佳的乙醇电氧化活性，有效提升单位质量贵金属催化活性（乙醇电氧化性能比商业化的碳载铂有着六至十倍的提升），并可能应用于其它异相催化反应。

本发明方法有如下优点：本发明通过一氧化碳的辅助，可控地沉积铂或钯单原子层到金膜与纳米金上。操作简单，重复性好，反应迅速，避免了有机物的引入，无需外加电压，可短时间大批量制备。所得催化剂材料性能优异。本发明方法避免了有机配合物或金属损耗层的参与，所得材料可直接使用，无需后续表面处理，从而避免了制备过程中对环境的污染，同时纳米材料可方便地进行大批量生产，极其适宜于商业化规模的制备。

附图说明

图1是X射线衍射表征铂沉积前后变化对比图。

图2是透射电子显微镜表征金铂核壳、金钯核壳材料形貌图。

图3是透射电子显微镜-能量色散谱表征得到的金铂核壳纳米颗粒的元素分布图。