[发明专利]核壳结构Au@PtCu纳米晶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种核壳结构Au@PtCu纳米晶，其中金属Au为内核，合金PtCu为壳层。本发明还公开了上述核壳结构Au@PtCu纳米晶的制备方法，包括：将Au前驱体溶解于油胺中，将获得的溶液加入到预热至110～180℃的油胺中，在110～180℃反应3～4小时，离心，洗涤，重新分散于油胺中作为种子溶液；将种子溶液与Pt前驱体、Cu前驱体及修饰剂混合均匀，惰性气体保护下在180～240℃搅拌反应3～4小时，离心，洗涤，得到核壳结构Au@PtCu纳米晶。本发明制得的核壳结构Au@PtCu纳米晶形貌尺寸均一性好，分散性好，成分可调，并且易于保存，有高效的催化甲醇氧化性能。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种核壳结构Au@PtCu纳米晶及其制备方法和应用。

背景技术

如今，能源危机和环境问题日益严峻，寻找出一种经济有效且可再生的能源来替代化石燃料是创造可持续和清洁世界的迫切需求。直接甲醇燃料电池(DMFCs,DirectMethanol Fuel Cells)因甲醇的低毒性、高能量密度、低廉的价格和生物可再生等特性，被认为是最有希望的新能源形式之一。贵金属Pt由于对甲醇氧化过程具有优良的电催化性能，因而被认为是最有潜力的甲醇氧化电催化剂。然而，甲醇氧化过程中产生的类CO的中间体的毒化效应，以及Pt的高成本等核心难点，限制了DMFCs的进一步应用。因此，DMFCs的推广还需开发兼具高催化活性、抗中毒和低成本的新型Pt基电催化剂。

近年来，研究者通过组分调控、结构设计等手段设计了不同微观结构的Pt基纳米晶来提高催化活性以及抗中毒性，例如核壳和合金结构等。Pt基合金纳米颗粒，不仅具有理想的催化活性，而且可以有效降低成本，是取代纯Pt作为甲醇氧化反应的理想催化剂。PtRu作为Pt基合金之一在甲醇氧化中备受关注，其中Ru可以降低昂贵的Pt的负载量，同时提高中间体的抗中毒性。然而，Ru也是一种高成本和稀缺储备的贵金属。有趣的是，以Cu、Co为代表的非贵金属与Pt形成合金也可以起到协同催化的作用，且价格低廉、储量丰富，但合金结构内部的Pt原子难以参与催化反应，不可避免造成部分浪费。为进一步提高Pt原子的利用率，Dang等人制备了以Ru为内核的Ru@Pt/MWCNT结构，具有优异的甲醇氧化活性，这归因于Ru@Pt/MWCNT中高效的Pt原子分散性及Ru@Pt纳米颗粒的强协同作用。Li和Yamauchi等人报道了Ag@Pt核壳纳米颗粒，其中树枝状Pt壳层在Ag纳米颗粒晶核上生长，并且Ag@Pt纳米颗粒对甲醇氧化反应也显示出良好的电催化活性。此外，Au是一种独特的金属，块体的Au对电催化反应显示了惰性特性，但纳米级的Au纳米晶却对许多反应具有高催化活性。纳米尺度的Au的特殊性质也被赋予CO氧化的无与伦比的电催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构新颖，尺寸形貌均匀，分散性好，成分可控的核壳结构Au@PtCu纳米晶。

本发明的另一目的是提供上述核壳结构Au@PtCu纳米晶的制备方法和应用。

本发明提供一种核壳结构Au@PtCu纳米晶，该核壳结构Au@PtCu纳米晶中，金属Au为内核，合金PtCu为壳层。

为了获得催化性能优越的纳米晶，使上述核壳结构Au@PtCu纳米晶为星形十面体，平均粒径为16-20nm，Au元素与Cu元素的摩尔比为1:5.5～1:13.7，Pt元素与Cu元素的摩尔比为1:1～1:5。

本发明另一方面提供一种上述核壳结构Au@PtCu纳米晶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

1)将Au前驱体溶解于油胺中，获得第一溶液；

2)将步骤1)获得的第一溶液加入到预热至110～180℃的油胺中，在110～180℃反应3～4小时，离心，洗涤，将得到的酒红色沉淀物重新分散于油胺中，获得种子溶液；

3)向步骤2)获得的种子溶液中加入Pt前驱体、Cu前驱体和修饰剂，惰性气体保护下在180～240℃搅拌反应3～4小时，离心，洗涤，得到核壳结构Au@PtCu纳米晶；