一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于催化剂领域，尤其涉及一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。本发明专利技术提供的制备方法能够在金纳米晶表面包覆较薄的铂层，从而使制备的铂包覆金纳米晶材料表现出较好的催化性能。此外，本发明专利技术提供的制备方法简单快速，处理过程简单，不使用强酸、强碱溶剂，具有较好的应用前景。实验结果表明，本发明专利技术制备得到的铂包覆金纳米晶材料的铂层为亚原子层～几个原子层的厚度。

【技术实现步骤摘要】
一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用
本专利技术属于催化剂领域，尤其涉及一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用。
技术介绍
燃料电池技术因具有高能量密度和高能量转化效率等优异特性，已经被认为是目前最具潜力的清洁能源。鉴于燃料电池中的电化学反应、物质传输以及能量转化主要发生在电极与电解质界面上，电催化剂性能对燃料电池的化学能转变为电能的效率起到了至关重要的作用。在众多的电催化剂中，铂基催化材料仍然是目前应用于燃料电池中催化性能最好的催化剂。但是，铂价格昂贵、储量少以及铂基催化剂不稳定等缺点，使得燃料电池在商业应用方面面临严峻挑战。因此，发展新型铂基催化剂，尽可能降低铂的使用并提高其催化性能是相关研究领域的一个重要课题。基于此，现有技术已经公开了多种形貌的铂基二元或多元金属催化剂，其中，将贵金属包覆于非铂金属核表面得到核壳结构的催化剂是一种降低铂用量的有效方式之一。因核-壳金属间的相互作用，铂壳的电催化活性可得到有效调控和提高。例如，金-铂核壳结构因其(金)核(铂)壳晶格错配作用使其催化性能优于单纯的铂催化材料。在目前公开的核壳材料中，铂壳厚度一般为2～5nm。从原理上，只有材料表面的铂原子能够提供催化活性位点，而大量的内部原子并没有参与催化过程。因此，从铂的利用最大化的角度考虑，在其它材料表面包覆的铂壳厚度越薄越好。但是，获得薄层铂壳厚度需要依据核的尺寸对铂的用量进行精确计算和严格控制，基于现有已经公开的合成方法，很难获得尺寸一致的内核纳米粒子，因此，在非铂材料的内核上包覆厚度较薄的铂壳是非常困难的。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用，采用本专利技术提供的方法制备得到的铂包覆金纳米晶材料的铂层较薄。本专利技术提供了一种铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。优选的，所述哌嗪衍生物包括4-羟乙基哌嗪乙磺酸和/或3-(羟乙基哌嗪)-2-羟基丙磺酸。优选的，所述金纳米晶、哌嗪衍生物、铂源化合物和溶剂的用量比为(0.001～0.2)nmol：(0.08～2)mmol：(0.0001～0.2)mmol：0.01L。优选的，所述反应的时间为1～120min；所述反应的温度为10～40℃。优选的，所述步骤a)具体包括：a1)、将金纳米晶、哌嗪衍生物和部分溶剂混合，得到混合液；将铂源化合物和余量溶剂混合，得到铂源化合物溶液；a2)、将所述铂源化合物溶液加入到所述混合液中进行反应，得到铂包覆金纳米晶材料。优选的，所述金纳米晶的粒径为1～100nm。优选的，所述金纳米晶包括球型金纳米晶和/或花型金纳米晶。优选的，所述铂源化合物包括K2PtCl6、H2PtCl6、K2PtCl4、Pt(NH3)4(CH3COO)2、Pt(NO3)2和Pt(NH3)4(NO3)2中的一种或多种。本专利技术提供了由上述技术方案所述方法制备得到的铂包覆金纳米晶材料。本专利技术提供了上述技术方案所述的铂包覆金纳米晶材料作为燃料电池催化剂的应用。与现有技术相比，本专利技术提供了一种铂包覆金纳米晶材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。本专利技术利用金催化-还原作用，在金纳米晶表面包覆铂。金催化体系由金纳米晶和哌嗪衍生物组成。其中，金纳米晶可以催化哌嗪衍生物，使哌嗪衍生物具有还原性，能将二价或四价的铂离子还原为铂单质。同时，金纳米晶还作为所要制备的核壳材料的内核，被还原的铂原子沉积到金纳米晶的表面，形成核壳结构。因该合成体系是基于金纳米晶表面进行的催化体系，当金纳米晶表面均被其他铂原子覆盖后，金催化作用停止，哌嗪衍生物的还原作用消失，合成过程也被终止，由此得到铂包覆金纳米晶材料。本专利技术提供的制备方法能够在金纳米晶表面包覆较薄的铂层，从而使制备的铂包覆金纳米晶材料表现出较好的催化性能。此外，本专利技术提供的制备方法简单快速，处理过程简单，不使用强酸、强碱溶剂，具有较好的应用前景。实验结果表明，本专利技术制备得到的铂包覆金纳米晶材料的铂层为亚原子层～几个原子层的厚度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1中铂包覆球型金纳米晶材料的制备流程示意图；图2为本专利技术实施例1中得到的球型金纳米晶的透射电镜图片；图3为本专利技术实施例1中得到的铂包覆球型金纳米晶材料的透射电镜图片；图4为本专利技术实施例1中得到的铂包覆球型金纳米晶材料的能量分散X射线图；图5为本专利技术实施例1～2中得到的铂包覆球型金纳米晶材料的循环伏安图；图6为本专利技术实施例1～2中得到的铂包覆球型金纳米晶材料的线性扫描图；图7为本专利技术实施例1～2中得到的铂包覆球型金纳米晶材料的稳定性曲线图；图8为本专利技术实施例3中得到的花型金纳米晶的透射电镜图片；图9为本专利技术实施例3中得到的铂包覆花型金纳米晶材料的透射电镜图片；图10为本专利技术实施例3中得到的铂包覆花型金纳米晶材料的能量分散X射线图；图11为本专利技术实施例3～4中得到的铂包覆花型金纳米晶材料的循环伏安图；图12为本专利技术实施例3～4中得到的铂包覆花型金纳米晶材料的线性扫描图；图13为本专利技术实施例3～4中得到的铂包覆花型金纳米晶材料的稳定性曲线图。具体实施方式下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。在本专利技术中，将金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，即可得到铂包覆金纳米晶材料。其中，所述金纳米晶包括但不限于球型金纳米晶和/或花型金纳米晶；所述金纳米晶的粒径优选为1～100nm，更优选为10～50nm，再优选为13～30nm，最优选为15nm。本专利技术对所述金纳米晶的来源没有特别限定，其中球型金纳米晶可按照以下方法制备得到：将金的前驱体、柠檬酸钠与水混合，进行水热反应，得到球型金纳米晶。在本专利技术提供的上述球型金纳米晶制备方法中，所述金前驱体为本领域技术人员熟知的包含金元素的化合物，并无特殊的限制，优选为HAuCl4。本专利技术优选先将金的前躯体与水混合，更优选将金的前躯体溶液与水混合，然后加入柠檬酸钠水溶液混合；所述混合优选采用加热进行；所述金的前驱体与柠檬酸钠的质量比优选为1:6～2:1，更优选为1:4。在此反应中，柠檬酸钠同时作为还原剂和保护剂。混合后，加热进行水热反应；所述反应的温度优选为100℃；所述反应的时间优选为15min～5h，更优选为30min～1.5h，具体可为1h。水热反应后，优选冷却至常温，离心，得到球型金纳米晶。在本专利技术中，所述花型金纳米晶可按照以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。

【技术特征摘要】
1.一种铂包覆金纳米晶材料的制备方法，包括以下步骤：a)、金纳米晶、哌嗪衍生物和铂源化合物在溶剂中混合反应，得到铂包覆金纳米晶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述哌嗪衍生物包括4-羟乙基哌嗪乙磺酸和/或3-(羟乙基哌嗪)-2-羟基丙磺酸。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金纳米晶、哌嗪衍生物、铂源化合物和溶剂的用量比为(0.001～0.2)nmol：(0.08～2)mmol：(0.0001～0.2)mmol：0.01L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应的时间为1～120min；所述反应的温度为10～40℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)具体包括：a1)、将金纳米晶、哌嗪衍生物和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓坤，陈卫，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22