本发明专利技术提出了一种fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂及其合成方法。采用多元醇还原法，在N2保护气氛中，将金属前驱物(无水FeCl2、乙酰丙酮铂、乙酰丙酮铜)、1,2‑十六烷二醇、油酸和油胺在有机溶剂十六胺中加热反应并进行搅拌。经过加热，冷却，再加入正己烷、乙醇，离心分离，移去上清液，沉淀物干燥后得到纳米颗粒产物，并测定其结构、磁性、催化活性，fct‑FePtCu三元合金纳米颗粒的直径为9～15纳米，矫顽力达900～4800Oe，HER电催化性能表征在10mA/cm2条件下过电势塔菲儿斜率b＝23.6～28.2mV/dec，ORR电催化性能优异。本发明专利技术一步合成出了性能优越的fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂。不需高温退火处理，制备简单，成本低，催化活性高，催化剂稳定性好。作为HER、ORR电催化剂在应用中具有很大的潜力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米技术与催化领域。更具体地，本专利技术涉及一种面心四方结构FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂及其合成方法，其析氢演化反应(HER)和氧气还原反应(ORR)性能非常优越，适用于电解水制氢和燃料电池上使用。
技术介绍
能源是当今世界各国的一个重要战略发展领域，寻找高效能源是科技界目前共同面临的一个挑战和机遇。化石燃料的不可持续性,以及燃烧化石燃料释放的有害气体导致的环境污染、大量CO2产生的温室效应等严重的全球性问题驱使着人类对新能源的不断探索。氢能源是一种具有高燃烧值、清洁并且无污染的能源[1]。氢能源作为可持续、清洁能源，获得世界各国研究学者的广泛关注。目前氢能的生产还主要是依靠煤、天然气的重整来获得,这必然会加剧非可再生能源的消耗并且带来环境污染问题。因此,利用水分解制氢则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一。工业电解水已经有一百多年的历史了，电解水制备的氢气被认为是最佳的能源载体[2]。它可以使再生能源与能源的最终使用达到平衡，然而由于电解水制氢的催化剂催化效率低且能耗高，大大限制了其大规模的生产。近年来，电解水制氢的研究集中于提高电极材料的催化活性，从而降低析氢反应过程中同等阴极反应电流下的过电势。目前，铂系贵金属是电解水产氢效率最高的电催化剂，然而铂系金属为稀有贵重金属，用来做电解水催化剂会导致成本升高，并且铂(Pt)系贵金属容易被硫毒害[3]。在酸性电解液中，Pt作为HER效率最高的电催化剂，其使用的局限性使得研究人员们一直致力于寻找可与其媲美的阴极催化剂，这种析氢电极材料不仅要有较好的稳定性，更要在成本上有所降低。如制备铂基金属合金，利用地球上大量存在的非贵金属合成非Pt催化剂，如硫化物，磷化物，碳化物等。氢气作为清洁能源的原因是其作为燃料电池的燃料，在阳极发生氢气氧化反应(HOR)，在阴极发生氧还原反应(ORR)反应释放电能，同时生成物只有水而不产生有害物质。目前，关于燃料电池的研究的关键集中于提高阴极ORR催化剂的性能和降低Pt的担载量。商业用的ORR催化剂为Pt/C纳米颗粒。研究表明，采用Fe，Co，Ni，Cu等合金化Pt可以提高Pt的催化活性和电化学稳定性，并具有优于商业Pt/C纳米颗粒的性能[4]。2000年IBM华盛顿研究中心孙守恒教授用高温有机过程方法成功合成自组装纳米磁性FePt二元合金阵列，这种方法合成的FePt阵列是面心立方(fcc)相，需要经高温退火使FePt由fcc相转变为面心四方(fct)相，其性能才能提高。但是该方法在高温退火过程中纳米颗粒会发生团聚。为了解决该问题，不少研究小组采取掺杂的方法，例如用Au、Ag、Sb等金属掺杂降低体系相变温度，从而在一定程度上改善了颗粒团聚[5]。如何寻找新的合金纳米颗粒，使其具有更高的析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)的性能，是当前开发新能源中亟待解决的问题。本专利技术人在此研究方法的基础上经过大量试验研究，通过引入Cu元素，一步合成出了fct相高HER性能FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其在燃料电池的应用中也具有很好的潜力。【参考文献】[1]LewisNS,NoceraDG.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2006,103(43):15729-15735.[2]WangM,WangZ,GongX,etal,RenewableandSustainableEnergyReviews,2014,29:573-588.[3]GudmundsdóttirS,SkúlasonE,WeststrateKJ,etal,PhysicalChemistryChemicalPhysics,2013,15(17):6323-6332.[4]LiQ,WuL,WuG,etal,NanoLetter,2015,15:2468-2473.[5]WangH,ShangP,ZhangJ,etal,ChemistryofMaterials,2013,25(12):2450-2454.
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提出一种fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂。其具有析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)的优越性能。本专利技术的另一个目的是提出一种fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂的合成方法。该方法能直接生成fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂。本专利技术是这样实现的。一种fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂是由Fe、Pt、Cu三种元素组成，用多元醇还原法制备出的、具有fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其中Fe元素为30～50％，Pt元素为30～50％，Cu元素为20％～40％。所述的fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂技术效果最佳的三种元素百分比为：Fe元素为50±2％，Pt元素为30±2％，Cu元素为20±2％。本专利技术一种fct相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂的合成方法。其步骤为：首先，将相应摩尔比的无水FeCl2，乙酰丙酮铂(Pt(acac)2)，乙酰丙酮铜(Cu(acac)2)作为金属前驱物，1.5mmol的1,2-十六烷二醇作为还原剂混合倒入100ml的四口圆底烧瓶中，再加入高沸点有机溶剂十六胺作为反应溶剂，在流动的N2气氛中进行加热和机械搅拌，整个混合溶液温度升到110℃时，保温10min后加入表面修饰剂油酸和油胺各为1ml，待溶液加热至320℃左右，在此温度下进行加热冷凝回流并保持机械搅拌反应2.5～3.5小时。停止加热，混合溶液体系在常温下自然冷却到80℃,然后向四口瓶中加入60ml体积比为1：1的正己烷和无水乙醇的混合溶液，将溶液均等分装转移到离心管中，并以转速3000～5000转/分进行离心分离，移去离心所得的黄褐色上清液，再分别向离心管加入均等乙醇溶液对残留物进行清洗并离心分离，以同样方式重复操作3～4次，直到上清液为无色透明，即可得到洗净的黑色残留产物。所述的离心分离是使用目前市场销售的离心机进行的离心分离，例如盐城市凯特实验仪器有限公司生产的离心机。最后，将洗净的黑色残留物在干燥箱中70℃进行干燥，再采用X射线衍射分析(XRD)测定其纳米粒子的结构，得到所述的面心四方结构FePtCu三元合金纳米颗粒产物。所述的高HER性能fct-FePtCu三元合金纳米颗粒再分别采用X射线衍射分析(XRD)和综合物性测量系统(PPMS)测定其纳米粒子的结构和磁性，确认得到FePtCu纳米颗粒。本专利技术使用XRD仪器的生产厂：日本岛津公司。XRD测定条件：室温测量，衍射角为15～90度，其它条件为常规条件。本专利技术制备的样品为干燥后的FePtCu纳米颗粒粉末。XRD结果分析表明，本专利技术制备的FePtCu纳米颗粒样品结晶性明显，具有面心四方相的晶体特征；根据谢乐公式D＝Kλ/βcosθ以及fct相(111)半峰宽计算出FePtCu纳米颗粒样品的粒径，其粒径尺寸是9～15纳米。本专利技术使用PPMS本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其特征在于该纳米颗粒催化剂是由Fe、Pt、Cu三种元素组成，用多元醇还原法制备出的、具有面心四方(fct)相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其中Fe元素为30～50％，Pt元素为30～50％，Cu元素为20％～40％。
【技术特征摘要】
1.一种fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其特征在于该纳米颗粒催
化剂是由Fe、Pt、Cu三种元素组成，用多元醇还原法制备出的、具有面心四方
(fct)相的FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂，其中Fe元素为30～50％，Pt元
素为30～50％，Cu元素为20％～40％。
2.一种权利要求1所述fct相FePtCu三元合金纳米颗粒催化剂的合成方法，
包括以下步骤：
1)将相应摩尔比的无水FeCl2，乙酰丙酮铂(Pt(acac)2)，乙酰丙酮铜
(Cu(acac)2)作为金属前驱物，1.5mmol的1,2-十六烷二醇作为还原剂混合倒入
100ml的四口圆底烧瓶中，再加入高沸点有机溶剂十六胺作为溶剂，在N2保护
气氛中进行加热和机械搅拌，混合溶液温度升至110℃时，保温10min后分别
加入表面活性剂油酸和油胺1mL，继续加热升温并保持温度在320℃，在此温
度下进行加热冷凝回流并保持机械搅拌反应2.5～3.5小时；
2)停止加热，混合溶液体系在常温下自然冷却至80℃，然后向四口瓶中加
入约60ml体积比为1：1的正己烷和无水乙醇的混合溶液，将溶液均等分装转
移倒入离心管中，以转速3000～5000转/分进行离心分离，移去离心所得的黄褐
色上清液，再分别向离心管加入均等无水乙醇溶液进行离心分离，以同样方式
重复操作3～4次，直到上...
【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，陈旭，舒丹，汪汉斌，王喜娜，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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