[发明专利]一种具备超薄铂系金属层的纳米颗粒催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具备超薄铂系金属层的纳米颗粒催化剂及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。具体涉及简单、快速、一步法合成具有高效催化性能的超薄铂系金属层的纳米颗粒。本发明将具有高效催化活性的铂系金属层的纳米颗粒利用聚乙烯吡咯烷酮作为封端剂，有机溶剂如二缩三乙二醇和三缩四乙二醇为溶剂和还原剂，溴化钾或溴化碘为合成阻断剂。通过绿色、简便快捷的水热合成方式合成了一种催化活性高的具备铂系金属层的纳米材料，且其催化活性显著高于商业催化剂，且稳定性好，放置9个月以上，催化效果无显著性变化。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及到一种具备超薄铂系金属层的纳米颗粒催化剂及其制备方法。

背景技术

质子交换膜电解槽为清洁和可持续能源的转化和储存提供了有效途径，但析氧反应的缓慢动力学和与此类设备相关的高腐蚀性环境极大地阻碍了该技术的商业化。因此，高效、使用寿命长的析氧反应电催化剂有望解决这些问题。铱是地壳中极其稀有的元素，因其在酸性介质中的活性和稳定性可达到最佳平衡而被认为是最有效的析氧反应电催化剂的关键组分。由于铱的稀缺性使得其作为电催化剂的成本大大增加，因此，为了使铱基电催化剂具有成本效益，可以通过增加比活性和利用效率来最大化其活性。近年来，为了提升铱基催化剂的电催化活性，最有效的方法之一是构建一个基于铱的核壳结构：该结构可使用更便宜/或含量更丰富的材料作为核，而大多数的铱原子暴露在其表面。有研究表明，当铱原子覆盖的厚度减少到少于2个原子层时，铱原子的利用效率可以达到50％。尽管在Ir-Ni、RuO2、Au等底板的表面上可形成3nm厚度的铱原子纳米层，并且这些材料很好的证明了超薄铱原子层可增加材料的析氧反应效率，但精确可靠地控制铱原子层的厚度仍然非常困难。当前，有研究团队通过控制铱原子前驱溶液的加入速度从而控制单位时间下铱原子的还原速率而最终实现控制其形貌和铱原子层，但是该方法耗时且不宜工业化，最终也会导致该材料的成本增加。

另一方面，质子交换膜燃料电池具有室温启动快，结构简单和能量密度高等特点，被认为是最适合电动汽车使用的车载动力源。但是，质子交换膜燃料电池商业化发展的进程缓慢，其障碍之一是所用催化剂的核心组分(金属铂)昂贵而导致其成本过高。因此，如何提高铂利用率、降低铂担载量、开发高比质量活性的铂催化剂，一直是燃料电池领域的重点研究内容之一。有研究者发现，通过动力学方法所制备的具备1个铂原子层的纳米催化剂的质量比活性最高。然而，该方法不仅耗时，且不宜工业化。

发明内容

[技术问题]

现有质子交换膜燃料电池所用催化剂的成本高、制备原子层催化剂的方法耗时、繁琐且不宜工业化。

[技术方案]

为解决上述问题，本发明提供了一种具备超薄铂系金属纳米层的纳米颗粒催化剂及其制备方法，具体涉及简单、快速、一步法合成具有高效催化性能的超薄铂系金属层的纳米颗粒。将具有高效催化活性的铂系金属层的纳米颗粒利用聚乙烯吡咯烷酮PVP作为封端剂，有机溶剂如二缩三乙二醇和三缩四乙二醇为溶剂和还原剂，溴化钾或溴化碘为合成阻断剂。通过绿色、简便快捷的合成方式合成了一种催化活性高的具备铂系金属层的纳米材料，且其催化活性显著高于商业催化剂。

具体的，本发明首先提供了一种具备超薄铂系金属层的纳米颗粒催化剂的制备方法，所述方法包括：先将表面活性剂修饰的钯纳米颗粒、表面活性剂和阻断剂加入到有机溶剂B中，使之混合，预热，再把溶解在有机溶剂A中的铂系金属盐加入至预热的溶液中，继续加热反应一段时间，洗涤、干燥，最终得到具备超薄铂系金属层的纳米颗粒催化剂，其中，所述有机溶剂A包括乙二醇、二乙二醇、二缩三乙二醇和三缩四乙二醇中的任意一种或几种；所述有机溶剂B包括二缩三乙二醇和三缩四乙二醇中的任意一种或几种。