一种超细铂基合金纳米线、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种超细铂基合金纳米线、制备方法及应用，属于铂基合金领域。本发明专利技术的超细铂基合金纳米线的制备方法，能够制备21种Pt与Pb、Cu、Hg、Ag、Rh、Ru、Pd、Ir或Au的二至五元铂基合金超细纳米线，包括9种二元，7种三元，3种四元与2种五元。本发明专利技术的制备方法简单易行，产物均匀。本发明专利技术的制备过程是在水溶液中进行的，制备出来的纳米线表面比较干净，后处理简单。本发明专利技术的超细铂基合金纳米线，平均直径为2～3nm，具有很大的比表面积。本发明专利技术制备的材料既具有多元合金的优点又具有超细纳米线的优点，在电催化反应中表现出优异的活性。在电催化反应中表现出优异的活性。在电催化反应中表现出优异的活性。

【技术实现步骤摘要】
一种超细铂基合金纳米线、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于铂基合金领域，尤其是一种超细铂基合金纳米线、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]依赖传统化石能源的产业必将进行转型升级，因此清洁能源的转换与利用成为未来几十年里重要的任务之一。据统计2020年全国的汽车保有量为2.81亿辆，要排出大量的二氧化碳和其它大气污染物。化石燃料汽车必将被绿色无污染的燃料电池汽车所取代。燃料电池核心系统是电堆，其成本占整个燃料系统的60％左右；而催化剂又是电堆的核心，其成本占电堆总成本的约50％。铂催化剂具有良好的分子吸附、离解特性，因此铂催化剂成为最理想、也是当前唯一商业化的燃料电池催化剂材料。但是铂金属由于储存量少，价格昂贵以及耐久性问题，其大规模商业化应用依然面临巨大的挑战。铂催化剂存在的上述问题是制约燃料电池发展的关键，针对上述问题，研究新型同时兼具高稳定、高活性的低铂催化剂是目前国际上的研究热点。
[0003]制备铂基合金催化剂是提高铂催化剂活性和稳定性的主要方法之一。合金催化剂不仅能通过降低铂的使用量来降低铂催化剂的生产成本，还能通过铂原子和其他金属原子之间的电子相互作用和协同催化作用来增强其催化性能。超细纳米线结构具有比表面积大、导电性好和各向异性结构的优点。各向异性结构使得纳米线能有效防止奥斯瓦尔德熟化现象和粒子迁移融合现象的发生而赋予铂催化剂良好的稳定性。因此，将合金化与超细纳米线结构这两个关键特征复合在一起所形成的铂基合金超细纳米线既具有合金的优点又兼具超细纳米线的优点，如低铂、丰富可调的电子结构、协同催化作用、高比表面积，高密度面缺陷以及形貌各向异性等特点。这些优点使铂基合金超细纳米线在燃料电池相关的催化反应中兼具高活性与高稳定性特性，有望进一步推动电催化剂的发展，助力国家能源战略。
[0004]经过近二十年的研究，铂基合金超细纳米线催化剂得到了快速发展，尤其是二元铂基合金超细纳米线。迄今为止，研究人员已能制备出铂与铁、钴、镍、锡、铜、银、钌、铑等众多二元合金超细纳米线。三元铂基合金纳米线的发展也有了长足的进步，正在逐渐摆脱盲目试错法，并已在较复杂元素范围内发展出普适性合成方法。2017年，李亚栋课题组用普适性策略制备了平均直径为2.5nm的五种PtMoM(M＝Fe、Co、Ni、Mn、Ru)三元合金超细纳米线。2019年，郭少军课题组制备了三种平均直径为1.6nm的PtNiM(M＝Rh、Os、Ir)三元合金超细纳米线。这些二元、三元的合金纳米线因具有电子相互作用以及协同作用表现出良好的催化活性与稳定性。2020年，谢兆雄团队制备了一种四元PtCoNiRh超细纳米线，在电催化甲醇氧化实验中表现出比三元PtCoNi超细纳米线更好的催化活性与稳定性。然而到目前为止，几乎没有发现关于合金组分从二元至五元连续调控的铂基合金超细纳米线的研究报道，也没有关于制备五元合金超细纳米线的研究报道。现有技术存在以下缺点：在传统溶液还原中由于不同的金属离子具有不同的氧化还原电势，氧化还原电势高的金属离子先被还原，而氧化还原电势低的金属离子后被还原，这就导致容易形成相分离结构。研究发现：通过加
入特殊的配体使金属离子形成配合物，调节金属离子的氧化还原电势，而制备出组分均匀分布的合金结构。正是这些发现致使二元、三元铂基合金超细纳米线的合成取得了很大的进展。但是，这些调节金属离子氧化还原电势的方法只能将两种或较复杂元素范围内三种金属离子的氧化还原电势调至相似水平，而对于元素组成更加复杂的四种、五种乃至更多种的金属离子则很难能将它们的氧化还原电势调至相同水平，从而阻碍共还原的发生。上述缺点导致几乎没有发现使多种金属离子共同还原的有效方法，致使共还原法制备铂基合金超细纳米线仍局限于二元与三元合金结构，难以制备多元(尤其是四元、五元)铂基合金超细纳米线。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超细铂基合金纳米线、制备方法及应用。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种超细铂基合金纳米线的制备方法，能够制备二元、三元、四元及五元铂基合金超细纳米线，包括如下步骤：
[0008]1)将可溶性铂的化合物和至少一种的可溶性金属化合物溶解于水和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，之后加入噻吩和表面活性剂，混合均匀，得到混合溶液；
[0009]2)将所述混合溶液置于水热釜中，在140～220℃反应6～10小时，反应结束后经离心、乙醇洗涤得到超细铂基合金纳米线。
[0010]进一步的，步骤(1)中可溶性铂的化合物为卤铂酸、卤化铂、氯铂酸盐、氯亚铂酸盐或硝酸铂。
[0011]进一步的，在混合溶液中，铂前驱体的浓度为0.1～8mM。
[0012]进一步的，步骤1)中的可溶性金属化合物中的金属元素为Pb、Cu、Hg、 Ag、Rh、Ru、Pd、Ir或Au。
[0013]进一步的，在混合溶液中，金属离子的总摩尔量小于或等于铂离子的摩尔量。
[0014]进一步的，步骤1)的混合液中N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积分数为30％～80％。
[0015]进一步的，步骤1)中混合溶液中的噻吩的浓度在10μL/mL以下。
[0016]一种超细铂基合金纳米线，根据本专利技术所述的制备方法制备得到。
[0017]一种超细铂基合金纳米线，为直径为2～3nm的二元、三元、四元或者五元铂基合金超细纳米线。
[0018]本专利技术的超细铂基合金纳米线在电催化乙醇氧化中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术的超细铂基合金纳米线的制备方法，能够制备21种Pt与Pb、Cu、 Hg、Ag、Rh、Ru、Pd、Ir或Au的二至五元铂基合金超细纳米线，包括9种二元，7种三元，3种四元与2种五元。本专利技术的制备方法，在140～220℃温度下， N,N
‑
二甲基甲酰胺具有弱还原性，能够将铂离子还原成铂原子，铂原子能催化N, N
‑
二甲基甲酰胺和水反应生成氢气和二甲胺，产生的氢气吸附在铂的(100)晶面。铂原子表面的氢气有两种作用，分别是表面还原与定向附着。首先，铂原子表面的氢气具有很强的还原性能够还原Pb、Cu、Hg、Ag、Rh、Ru、Pd、Ir或Au 等金属离子从而形成合金结构，在此过程中添加的噻吩和PVP能够确保产生的纳米颗粒维持在
超小水平并均匀分散；然后，铂原子表面的氢气能够增强表面铂原子的迁移速率使纳米颗粒表面具有类似于“液体”的性质，超小合金纳米颗粒之间会相互碰撞经定向附着过程形成合金超细纳米线。本专利技术的制备方法简单易行，产物均匀。本专利技术的制备过程是在水溶液中进行的，制备出来的纳米线表面比较干净，后处理简单。
[0020]本专利技术的超细铂基合金纳米线，平均直径为2～3nm，具有很大的比表面积。本专利技术制备的材料既具有多元合金的优点又具有超细纳米线的优点，在电催化反应中表现出优异的活性。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超细铂基合金纳米线的制备方法，其特征在于，能够制备二元、三元、四元及五元铂基合金超细纳米线，包括如下步骤：1)将可溶性铂的化合物和至少一种的可溶性金属化合物溶解于水和N,N
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二甲基甲酰胺的混合液中，之后加入噻吩和表面活性剂，混合均匀，得到混合溶液；2)将所述混合溶液置于水热釜中，在140～220℃反应6～10小时，反应结束后经离心、乙醇洗涤得到超细铂基合金纳米线。2.根据权利要求1所述的超细铂基合金纳米线的制备方法，其特征在于，步骤(1)中可溶性铂的化合物为卤铂酸、卤化铂、氯铂酸盐、氯亚铂酸盐或硝酸铂。3.根据权利要求2所述的超细铂基合金纳米线的制备方法，其特征在于，在混合溶液中，铂前驱体的浓度为0.1～8mM。4.根据权利要求1所述的超细铂基合金纳米线的制备方法，其特征在于，步骤1)中的可溶性金属化合物中的金属元素为Pb、Cu、Hg、...

【专利技术属性】
技术研发人员：金明尚，刘亚明，战琪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：