[发明专利]一种CuPd金属纳米催化剂及其制备方法、应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及一种CuPd金属纳米催化剂及其制备方法、一种CuPd/C金属纳米催化剂及其制备方法、应用

背景技术

随着经济社会的快速发展，对能源的需求量日益扩增。地球上传统化石能源的储量越来越少，而且化石能源的消耗往往带来诸如二氧化碳等有害的副产物，严重影响了地球的生态环境。寻找清洁、可持续能源成为亟待解决环境问题的关键。质子膜交换燃料电池作为一种效率很高的能量转换器件，不但绿色环保，而且电池工作温度低、启动快、结构简单，故这样的器件越来越受到人们的关注。燃料电池的核心是电化学过程，而电化学过程需要催化剂来降低反应过程的能耗来提高反应速率。燃料电池的阴极反应是氧还原反应，此反应过程需要有四个电子参与，对于反应动力学而言是极为不利的，因此降低阴极反应过程的过电势成为提高燃料电池的关键。Pt/C因其对氧还原反应的催化活性很高，常作为商用催化剂，但其地球储量少，价格昂贵，限制其大规模应用。这突显探索催化活性高、稳定性好和价格低廉的不含铂元素的催化剂的重要性。

催化剂与氧或氢氧基团之间的吸附能被认为是氧还原反应的活性有效指标。钯原子具有与铂原子相同的电子结构，其对氧的吸附能略大于铂。合金化可用来调控催化剂的电子结构，CuPd合金中铜原子上的电子会转移到钯原子上，可使钯对氧的吸附能降低。同时，CuPd金属纳米催化剂具有四足体的形貌，尖端结构容易聚集电子，进一步提高尖端钯原子的电子密度，调控其电子结构，提高其电催化活性。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种CuPd金属纳米催化剂，合金化CuPd金属纳米催化剂具有四足体的形貌，不仅铜原子上的电子转移到钯原子上，而且四脚足中的尖端效应使电子容易聚集在尖端，进一步提高尖端钯原子的电子密度，合金效应和尖端效应同时降低了钯原子的d带中心，减弱钯对氧的吸附能，提高了燃料电池氧还原反应的效率，因此在质子膜交换燃料电池上具有广阔的应用前景。

本发明提出的一种CuPd金属纳米催化剂，所述CuPd金属纳米催化剂具有四足体结构。

优选地，Cu、Pd的原子个数比为10～13：87～90。

优选地，四足体结构中每个足的长度为40～50nm。

优选地，所述CuPd金属纳米催化剂的粒径为100～120nm。

本发明还提出的上述CuPd金属纳米催化剂的制备方法，常温下，将四氯钯酸钠、氯化亚铜、聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖加入癸胺和氮-氮二甲基甲酰胺的混合溶液中搅拌至溶解，接着水热反应，冷却至室温，清洗，真空干燥得到CuPd金属纳米催化剂。

优选地，四氯钯酸钠、氯化亚铜、聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖的重量比为7.8～9.8：2～4：280～320：240～260，癸胺和氮-氮二甲基甲酰胺的体积比为80～120：4800～5200，葡萄糖和癸胺的质量体积比(mg/μL)为240～260：80～120。

优选地，水热反应的温度为68～72℃，水热反应的时间为2～2.5h。

优选地，真空干燥的温度为50～54℃。

优选地，清洗的具体步骤如下：将冷却至室温的物料离心分离，将离心所得产物用极性溶剂进行超声洗涤，然后继续进行离心分离，再将离心所得产物用极性溶剂进行超声洗涤。

优选地，离心分离的转速为12000～13000转/min，离心分离的时间为10～12min。

优选地，极性溶剂为无水乙醇。

本发明还提出的一种CuPd/C金属纳米催化剂，炭黑表面负载有上述CuPd金属纳米催化剂。

本发明还提出的上述CuPd/C金属纳米催化剂的制备方法，将上述CuPd金属纳米催化剂加入无水乙醇中超声分散得到溶液A；将炭黑加入无水乙醇中超声分散得到溶液B；将溶液B常温持续搅拌，搅拌过程中将溶液A滴加入溶液B中，然后洗涤，干燥得到CuPd/C金属纳米催化剂。

优选地，溶液A中CuPd和无水乙醇的质量体积比(mg/mL)为0.8～1.2：0.8～1.2，溶液B中炭黑和无水乙醇的质量体积比(mg/mL)为0.8～1.2：0.8～1.2，溶液A和溶液B的体积比为0.8～1.2：3.5～4.5。

优选地，超声分散的时间为1.5～2.5h。

优选地，洗涤的具体操作如下：将滴加完成后的物料进行离心分离，将离心所得产物用极性溶剂进行超声洗涤，然后继续进行离心分离，再将离心所得产物用极性溶剂进行超声洗涤。