一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于贵金属电催化剂技术领域，尤其涉及一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用。将铂金属盐、过渡金属M盐以及表面活性剂分散于具有还原性的有机试剂中，超声后加入结构引导剂，再超声；一定气氛下，置换反应体系中的空气；提高温度并在某一温度维持1～5h；冷却后离心洗涤得到Pt/M异质结构纳米线，分散在溶液中待用；将碳载体分散于溶液中，超声后得到悬浊液；加入分散好的Pt/M异质结构纳米线，再超声；离心洗涤干燥即得。本发明专利技术通过调控有机试剂的还原性、控制反应气氛，调节表面活性剂，制备了高分散、高产率的Pt/M异质结构纳米线，适用于氢氧根交换膜燃料电池阳极的氢氧化反应。

Preparation and application of a carbon supported Pt / M heterostructure nanowire electrocatalyst

【技术实现步骤摘要】
一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用
本专利技术属于贵金属电催化剂
，尤其涉及一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用。
技术介绍
燃料电池是21世纪首选的发电装置，具有能量转化效率高、运行温度低、启动快和能量密度高等优点，可广泛应用于航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域，特别是在新能源汽车领域，具有重要的应用价值。在不同种类的燃料电池中，氢氧根交换膜燃料电池已备受关注，因为大量高质量、高性能的氢氧根交换膜以及阴极氧还原反应(ORR，1/2O2+H2O+2e-→2OH-)非贵金属电催化剂已经被开发。然而氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化反应(HOR，H2+2OH-→2H2O+2e-)速率要比酸性介质低1-2个数量级，制约着氢氧根交换膜燃料电池的商业化进程。因此，开发高性能的氢氧根交换膜燃料电池阳极氢氧化电催化剂，尤其引入过渡金属且制备优势暴露特殊晶面的Pt/M异质结构电催化剂以提高Pt金属利用率已成为了氢氧根交换膜燃料电池领域内的一个新的研究热点。Alesker等通过Ni纳米颗粒与氯钯酸钠电化学置换制备Pd/Ni异质结构碱性HOR电催化剂，异质结构电催化剂性能明显优异于纯Pd电催化剂，但是该异质结构电催化剂的形貌主要是球形，本征活性不高(JournalofPowerSources,2016,304,332-339)。Scofield等在磁力搅拌的条件下，将氯铂酸的水溶液以及Ru、Co、Fe、Cu、Au金属的可溶性盐与十六烷基三甲基溴化胺溶解到氯仿相中，然后加入还原试剂-硼氢化钠水溶液，得到PtM合金纳米线网碱性HOR电催化剂。该方法制备的纳米线网分散性较差，不利于金属活性位的暴露，进而电催化剂的碱性氢氧化活性不高(ACSCatalysis,2016,6,3895-3908)。近几年，通过科学家们的努力已经制备出高度分散的纳米线形貌的Pt基纳米结构电催化剂。例如，叶春苗等将Pt、Rh金属化合物、双十二烷基二甲基溴化胺分散在油胺中，然后加入羰基钨，经高温反应得到PtRh纳米线，相比商业Pt/C，PtRh纳米线/C的ORR质量比活性提高了8倍(专利申请号：201710148338.5)。于晓飞等将Pt、Cu金属化合物、碘化钾加入油胺，经高温反应得到PtCu纳米线，其甲醇氧化活性是商业铂黑的1.46倍(专利申请号：201610996746.1)。吴显政等将Pt、Ni金属化合物、葡萄糖、十六烷基三甲基氯化铵加入油胺，经高温反应得到Pt3Ni@PtNi2核壳结构纳米线，其体现极好的氢加成选择性(专利申请号：201611174149.7)。值得注意的是，上述纳米线结构的研究主要集中在ORR、甲醇氧化、氢加成等反应，没有应用于氢氧根交换膜燃料电池的阳极氢氧化反应。目前，还未见报道适用于氢氧根交换膜燃料电池的阳极氢氧化反应的碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法及应用，通过调控有机试剂的还原性，控制反应气氛，调节表面活性剂，制备了高分散、高产率的Pt/M异质结构纳米线。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术一方面提供了一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：(1)制备Pt/M异质结构纳米线将铂金属盐、过渡金属M盐以及表面活性剂分散于具有还原性的有机试剂中，超声后加入结构引导剂，再超声；一定气氛下，置换反应体系中的空气；提高温度并在160～220℃条件下维持1～5h；冷却后离心洗涤得到Pt/M异质结构纳米线，将其分散在溶液中待用；(2)制备碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂将碳载体分散于溶液中，超声后得到悬浊液；加入分散好的Pt/M异质结构纳米线，再超声；离心洗涤干燥得到碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂；所述铂金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、乙酰丙酮铂中的一种或多种；所述过渡金属M盐为乙酰丙酮铁、醋酸铁、硫酸铁、氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮钴、醋酸钴、硫酸钴、氯化钴、硝酸钴、乙酰丙酮镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、乙酰丙酮铜、醋酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、乙酰丙酮锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰中的一种或多种；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、双十二烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚乙二醇叔辛基苯基醚、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、月桂醇聚氧乙烯醚、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种；所述具有还原性的有机试剂为油酸、油胺、苯甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、甲酰胺中的一种或多种；所述结构引导剂为羰基钨、羰基钼中的一种或多种混合物；所述气氛为氦气、氩气、氮气、氢气、一氧化碳中的一种或多种的混合气体；所述的溶液为乙醇、丙醇、丁醇、环己烷、甲苯、丙酮中的一种或多种混合溶液。上述技术方案中，进一步地，所述铂金属盐在具有还原性的有机试剂中的浓度为1～10mgml-1；所述过渡金属M盐在具有还原性的有机试剂中的浓度为1～10mgml-1；所述表面活性剂在具有还原性的有机试剂中的浓度为1～30mgml-1；所述结构引导剂在具有还原性的有机试剂中的浓度为1～20mgml-1；所述碳载体在悬浊液中的浓度为1～10mgml-1；所述Pt/M异质结构纳米线与碳载体的质量比为0.01～10；所述Pt/M异质结构纳米线中Pt的质量分数为60～100wt％。上述技术方案中，进一步地，所述的碳载体为炭黑、活性炭、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的一种或多种混合物。上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中置换反应体系中的空气0.1～1h，在25℃下进行。上述技术方案中，进一步地，所述步骤(1)中超声时间0.1～1h。上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中超声时间0.1～2h。本专利技术第二方面提供了一种由前述制备方法制备得到的碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂。本专利技术第三方面提供了碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂在氢氧根交换膜燃料电池阳极的氢氧化反应中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术制备工艺简单易行，易于规模化生产；所制备的碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂具有较高的电催化活性，适用于氢氧根交换膜燃料电池阳极的氢氧化反应。通过调控有机试剂的还原性，控制反应气氛，调节表面活性剂，制备了高分散、高产率的Pt/M异质结构纳米线；引入的过渡金属M有利于含氧物种的吸附；制备得到的Pt/M异质结构纳米线具有较高的长/径比，有效增加了金属纳米线与碳载体附着位点数目。附图说明图1是实施例1制备样品的透射电镜(TEM)照片，其中a)是在50nm条件下得到，b)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：/n(1)制备Pt/M异质结构纳米线/n将铂金属盐、过渡金属M盐以及表面活性剂分散于具有还原性的有机试剂中，超声后加入结构引导剂，再超声；一定气氛下，置换反应体系中的空气；提高温度并在160～220℃条件下维持1～5h；冷却后离心洗涤得到Pt/M异质结构纳米线，将其分散在溶液中待用；/n(2)制备碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂/n将碳载体分散于溶液中，超声后得到悬浊液；加入分散好的Pt/M异质结构纳米线，再超声；离心洗涤干燥得到碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂；/n所述铂金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、乙酰丙酮铂中的一种或多种；/n所述过渡金属M盐为乙酰丙酮铁、醋酸铁、硫酸铁、氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮钴、醋酸钴、硫酸钴、氯化钴、硝酸钴、乙酰丙酮镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、乙酰丙酮铜、醋酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、乙酰丙酮锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰中的一种或多种；/n所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、双十二烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚乙二醇叔辛基苯基醚、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、月桂醇聚氧乙烯醚、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种；/n所述具有还原性的有机试剂为油酸、油胺、苯甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、甲酰胺中的一种或多种；/n所述结构引导剂为羰基钨、羰基钼中的一种或多种混合物；/n所述气氛为氦气、氩气、氮气、氢气、一氧化碳中的一种或多种的混合气体；/n所述的溶液为乙醇、丙醇、丁醇、环己烷、甲苯、丙酮中的一种或多种混合溶液。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)制备Pt/M异质结构纳米线
将铂金属盐、过渡金属M盐以及表面活性剂分散于具有还原性的有机试剂中，超声后加入结构引导剂，再超声；一定气氛下，置换反应体系中的空气；提高温度并在160～220℃条件下维持1～5h；冷却后离心洗涤得到Pt/M异质结构纳米线，将其分散在溶液中待用；
(2)制备碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂
将碳载体分散于溶液中，超声后得到悬浊液；加入分散好的Pt/M异质结构纳米线，再超声；离心洗涤干燥得到碳担载Pt/M异质结构纳米线电催化剂；
所述铂金属盐为氯铂酸、氯亚铂酸、氯铂酸钾、氯亚铂酸钾、氯铂酸钠、氯亚铂酸钠、氯铂酸铵、氯亚铂酸铵、乙酰丙酮铂中的一种或多种；
所述过渡金属M盐为乙酰丙酮铁、醋酸铁、硫酸铁、氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮钴、醋酸钴、硫酸钴、氯化钴、硝酸钴、乙酰丙酮镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、乙酰丙酮铜、醋酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、乙酰丙酮锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰中的一种或多种；
所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、硬脂酸钾、油酰基多缩氨基酸钠、双十二烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯基醚、聚乙二醇叔辛基苯基醚、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、月桂醇聚氧乙烯醚、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种；
所述具有还原性的有机试剂为油酸、油胺、苯甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、甲酰胺中的一种或多种；
所述结构引导剂为羰基钨、羰基钼中的一种或多种混合物；
所述气氛为氦气、氩气、氮气、氢气、一氧化碳中的一种或多种的混合气体；
所述的溶液为乙醇、丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋玉江，丛媛媛，赵新伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21