[发明专利]一步合成团簇型钯铜纳米粒子的方法及团簇型钯铜纳米粒子的应用

说明书

本发明涉及一种一步合成团簇型钯铜纳米粒子的方法及团簇型钯铜纳米粒子的应用，它包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮溶于有机溶剂中，在不断搅拌的条件下加入Pd(acac)₂和Cu(acac)₂，使溶液由无色变为黄绿色；随后置于100~150℃的温度下反应至所述溶液变黑，冷却至室温即可；所述聚乙烯吡咯烷酮、Pd(acac)₂和Cu(acac)₂的质量比为12~17：5~6：4~6。这样能够提高甲酸氧化活性与稳定性，其性能相较于商用Pd/C，具有显著的提高；而且通过改变铜离子浓度可以调控合成出的纳米粒子的形貌。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一步合成团簇型钯铜纳米粒子的方法及团簇型钯铜纳米粒子的应用。

背景技术

燃料电池是一种绿色能源，其中直接甲酸燃料电池（DFAC）被期望为最有前景的绿色能源之一，因其具有高能量转化效率、能量密度高、室温快速启动等优异的特性。同时，甲酸也有许多优点，例如易溶于水，是良好的电解质；低毒性，可作为食品添加剂；相比于甲醇，其对于质子交换膜的透过率极低，可以在高浓度下进行电化学反应。然而，当下燃料电池遇到的瓶颈是传统商用Pd/C催化剂效率较低，且Pd的用量大，使得电极上缓慢的催化反应和过高的成本成为制约其发展的关键因素。

目前制备合金催化剂是提高催化剂催化效率相当有效的方法之一。众所周知，不同金属的晶格常数不尽相同。而通过在贵金属中加入具有较小晶格常数的其他金属，使贵金属的晶格常数减小，晶格拉伸应力减弱，原子间键长缩短，d带中心下移，使电子更容易占据d轨道，这样可以改善催化剂对含氧物种的吸附能力，增强催化活性。并且通过加入其它金属，也有利于形成特殊形貌的合金催化剂，有利于暴露具有低配位原子的边角、 拐点及扭结等，以及具有显著活性的高指数晶面，显著增加催化剂的催化活性位点。

最近，发现Pd基合金纳米粒子催化剂相比于Pd/C催化剂对甲酸酸性氧化（FAO）具有优异的性能。通常，甲酸分子在Pd催化剂上被氧化，通过直接脱氢反应机理形成CO₂，产生较少的类似CO的中毒物质。近年来，作为辅助成分的Cu已经被证明可以有提高Pt和Pd等贵金属的催化活性的重要作用。基于一系列实验和理论研究表明，与纯Pd相比，PdCu合金具有增强的催化活性。另一方面，对于CO氧化的高催化活性和弱金属-CO能带强度表明PdCu合金是通过直接脱氢途径的甲酸氧化电催化剂。

PdCu合金的制备方法通常为微乳液法、核壳生长法、热还原法等3种，这些化学方法的原理是通过氧化还原反应，自下而上地将金属盐转化为纳米颗粒。微乳液法反应优点在于方便快捷，但是缺点就是得到的纳米粒子粒径较小；因为当粒径增大到一个临界值之后，在化学动力学影响下，反应机理会比较复杂，使得粒子形貌各异，粒径不均。核壳生长法过程较为复杂，并且得到的催化剂由于是两层甚至多层结构，容易发生核壳分离。而热还原法，即使用表面活性剂和有机化学品在高温下还原金属离子的方法。同时，在金属盐还原过程中控制合金纳米材料的形态和合金比例。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种一步合成团簇型钯铜纳米粒子的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种一步合成团簇型钯铜纳米粒子的方法，它包括以下步骤：将聚乙烯吡咯烷酮溶于有机溶剂中，在不断搅拌的条件下加入Pd(acac)₂和Cu(acac)₂，使溶液由无色变为黄绿色；随后置于100~150℃的温度下反应至所述溶液变黑，冷却至室温即可；所述聚乙烯吡咯烷酮、Pd(acac)₂和Cu(acac)₂的质量比为12~17：5~6：4~6。

优化地，所述Pd(acac)₂和Cu(acac)₂的质量比为11：10。