一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用，所述非晶Pt纳米催化剂的制备方法包括：在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。

An amorphous Pt nano catalyst and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用，属于无机纳米材料

技术介绍
贵金属Pt在电解水产氢(HER)以及燃料电池电极催化等反应中表现出优越的催化活性，然而其高昂的价格和有限的储备使其推广应用较困难，如何有效利用Pt催化剂，充分发挥其催化活性优势尤为重要。非晶Pt是一种亚稳态结构材料，晶格呈现短程有序、长程无序的特点，由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小区间内(1-1.5nm)，仍然保持其形貌和组分的物质。非晶Pt材料的特点是其表面含有许多配位高度不饱和的原子，具有高的表面活性中心密度；特别是，非晶态Pt的局部原子结构、氧化状态以及化学组成在静止和催化过程中具有明显的差异，会在催化反应过程中形成活性体，因而表现出明显优于晶态Pt材料的催化活性和选择性。然而，非晶态Pt的制备方法较为苛刻，传统采用快速凝固技术或近快速凝固技术制备非晶材料，该类方法需要首先将金属或金属前体材料高温熔融然后快速冷却，使金属原子呈现液体状态，来不及排列而呈现混乱状态，形成非晶结构。该制备方法，对仪器要求较高，实验条件苛刻。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种温和条件下制备非晶Pt纳米催化剂的方法，在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。在本公开中，在Pt离子前驱体水溶液中加入具有还原性的含碳有机物(如吡咯、聚吡咯等)，同时通过含碳有机物与Pt的络合作用，形成Pt结晶过程中的能垒障碍，从而使得Pt在25～40℃下被还原的同时形成非晶状态，得到非晶Pt纳米催化剂材料。该方法中，含碳有机物(例如，吡咯、聚吡)咯具有还原性，同时易聚合生成碳基体或本身作为导电碳基体；当加入Pt离子前驱液中时，Pt基离子被含碳有机物如吡咯、聚吡咯中的N官能团捕获并被还原，同时吡咯单体聚合生成聚吡咯有机大分子的形成成为Pt晶粒长大的空间障碍，增大了Pt物种结晶长大的势垒，使得Pt以原子簇的形式分散在聚吡咯碳基体上，形成非晶Pt的原子簇。较佳的，所述Pt离子前驱体选自氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾和氯铂酸钠中的至少一种。较佳的，所述Pt离子前驱体和含碳有机物(吡咯、聚吡咯)的用量摩尔比为1:3～1:9。较佳的，所述Pt离子前驱体水溶液的制备方法包括：将1～10ml质量浓度为1～5wt％的Pt离子前驱体水溶液溶于20～80ml的水中进行稀释后得到。较佳的，在反应过程中，进行磁力搅拌；所述磁力搅拌的转速为300～500转/分钟。另一方面，本专利技术提供了一种根据上述的制备方法制备的非晶Pt纳米催化剂，所述非晶Pt纳米催化剂为非晶状态，形貌为颗粒片状，颗粒尺寸为20～100nm。再一方面，本专利技术提供了一种上述非晶Pt纳米催化剂在电解水产氢中的应用。该非晶Pt纳米催化剂(非晶态的Pt纳米材料、或非晶Pt)，因其局部原子结构和化学组成在静止和HER催化过程中具有明显的差异，会在HER催化反应过程中形成活性体，表现出明显优于晶态Pt材料的HER催化活性和稳定性。同时，该非晶态Pt表面含有许多配位高度不饱和的原子，具有高的表面活性中心密度，在低使用量时表现出优良的HER电催化活性和稳定性，降低催化剂成本，具有较高的经济效益。有益效果：(1)本专利技术利用含碳有机物(例如，吡咯、聚吡咯)与Pt离子前驱体的络合作用，以及含碳有机物(例如，吡咯、聚吡咯)的还原性，将Pt离子前驱体还原，并限制Pt的结晶从而形成非晶结构，该方法简单易行，制备条件温和，节省能源；(2)该方法制备的非晶Pt，相较于晶态Pt颗粒，暴露更多的活性位点，更有利于电解水产氢的催化剂；(3)本专利技术的非晶Pt的HER活性高、稳定性好。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的非晶Pt(2)和和对比例1制备的结晶Pt(1)的XRD图；图2为本专利技术制备的非晶Pt的SEM照片，其中A和C为实施例4，B和D为实施例5；图3为本专利技术制备的非晶Pt的TEM照片，其中A(标尺100nm)和D(标尺20nm)为实施例1中制备的非晶Pt的TEM照片，D中插图为选取电子衍射图；B(标尺200nm)和E(标尺10nm)为实施例2制备的非晶Pt的TEM照片；C(标尺200nm)和F(标尺5nm)为实施例3中制备的非晶Pt的TEM照片；图4为本专利技术对比例2制备的结晶Pt的TEM照片，其中B和C分别为A中框图的放大图；图5为本专利技术实施例1中制备的非晶Pt和对比例1中制备的结晶Pt的电解水产氢LSV曲线，其中“1”为非晶Pt-C材料的氢气析出电催化曲线、“2”为300℃热处理形成的结晶Pt-C材料的氢气析出电催化曲线、“3”为非晶Pt-C材料在恒电位-0.09V下运行20小时后的氢气析出电催化曲线(表明析氢电催化稳定性)；图6为本专利技术对比例3和4中制备材料的电镜图，其中A和B为对比例3中的TEM照片，C和D为对比例4中的TEM照片。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。为了克服现有非晶态材料在制备方法方面的缺陷以充分发挥Pt的活性位点，本专利技术提供了一种非晶态Pt纳米催化材料及其制备方法和在电解水产氢中的应用。本专利技术中，非晶Pt纳米催化剂为非晶态结构，形貌为均匀分散的颗粒片状，颗粒尺寸为20-100nm；电解水产氢催化活性优于晶态的Pt催化剂，并具有良好的HER电催化稳定性，优于结晶态Pt的HER催化活性和稳定性。在本专利技术中，选用含碳有机物(例如，吡咯、聚吡咯等)作为还原剂和络合剂，最终实现温和条件下非晶Pt的制备。本方法制备条件温和，易于操作。以下示例性地说明非晶Pt纳米催化剂的制备方法。制备含有一定Pt离子的Pt离子前驱体水溶液，使Pt离子均匀分散。其中，Pt离子前驱体可为氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾和氯铂酸钠中的至少一种。具体来说，先将Pt离子前驱体和蒸馏水配制质量浓度为1-3wt％的Pt前驱体液。然后取1-10mlPt前驱体液，溶于20-80ml的水以进行进一步的稀释，降低Pt离子的浓度，得到Pt离子前驱体水溶液。在Pt离子前驱体水溶液中加入还原剂，同时Pt离子发生络合，在25～40℃下缓慢反应后，使得Pt离子被还原的同时形成非晶态结构。其中，采用的还原剂和络合剂可为吡咯、聚吡咯。其中，Pt离子前驱体和吡咯的用量比可为1:3～1:9(摩尔比)。作为一个示例，在Pt离子前驱体水溶液中加入还原剂和络合剂后，在室温下磁力搅拌缓慢反应10～16小时，得到非晶Pt纳米催化剂材料。其中，磁力搅拌的转速可为200～400转/分钟。作为一个非晶Pt纳米催化剂的制备方案，包括如下步骤：(1)在室温下，将H2PtCl6·6H2O溶解于水，磁力搅拌，制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非晶Pt纳米催化剂的制备方法，其特征在于，在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。/n

【技术特征摘要】
1.一种非晶Pt纳米催化剂的制备方法，其特征在于，在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Pt离子前驱体选自氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾和氯铂酸钠中的至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述Pt离子前驱体和含碳有机物的用量摩尔比为1:3～1:9。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔香枝，施剑林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31