[发明专利]含铂纳米粒子的二氧化锆纳米薄膜及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种含铂纳米团簇的二氧化锆纳米薄膜及其制备方法和用途。

背景技术

当前，全球性的生态环境危机日益严重，其中氮氧化合物所造成的大气污染及其影响尤其严重。目前氮氧化物主要来自机动车尾气，机动车尾气中的其它污染物还包括碳氢化物、一氧化碳等。随着人类生活的现代化和都市化，机动车的使用越来越普及，尾气的排放量越来越大。因此，催化反应消除机动车尾气污染成为被广泛研究的一个热点。三效催化剂(TWC)是目前国际上广泛采用的治理机动车尾气的最佳手段，可使汽车排污减少90％以上，基本满足现行法规的严格要求。但由于TWC的主要活性物是Pt、Pd和Rh，负载量约为1.77～4.95g/L。此类金属不仅价格昂贵，而且在地球上的储藏量也很有限，根本不能满足全世界机动车尾气净化的需求。另外，在高温下，贵金属纳米粒子会发生团聚，导致催化活性显著降低。载体的比表面积降低也导致活性降低。因此，如何大幅度降低贵金属的用量、提高催化活性、提高催化剂抗高温团聚的能力和载体的高温稳定性是当前亟待解决的关键问题。

催化材料在环境、化工、能源、材料制造等领域具有广泛的应用，是许多重要化学过程不可或缺的材料。如机动车尾气净化催化材料、加氢催化材料、燃料电池催化材料等在这些领域中发挥着重要的作用。催化材料及其制备新技术的开发和应用一直是催化剂研究的热点。催化剂的核心，也就是贵金属活性组分的高比表面积、在载体表面的均匀高分散性对催化剂的研究和开发具有重要意义。活性组分的高度分散不仅可以大大降低催化剂活性金属组份的使用量，而且有利于活性组分与载体表面之间的相互作用的调控及催化剂热稳定性的提高。

在这方面，国内外科研人员做了大量的工作。如郝玉芝等报道了通过耐氨酸盐酸盐与H₂PdCl₄进行络合反应，再浸渍或离子交换在无机载体上，络合物经热分解，形成纳米金属Pd/载体催化剂(郝玉芝，卜显和，发明专利申请号：200510016271.7，申请日：2005.3.7)。蔡万煜等通过溶液中成核，然后吸附于活性碳的方法制备了铂炭加氢催化剂(蔡万煜，发明专利申请号：200310118982.6，申请日：2003.11.26)。沈培康等采用微波方法在炭黑上负载了铂纳米粒子(沈培康，填植群，谢芳艳，发明专利号：02115377.9)。邢巍等以活性炭为载体制备了粒径为4±0.5纳米的铂纳米粒子(邢巍，李旭光，陆天虹，发明专利号：02118282.5)。崔作林等用物理蒸发冷凝法制备了平均粒径为30纳米的NiPd超微粒子(崔作林，张志坤，董立峰，发明专利号：94115078.X)。丁连会等将20～50纳米的镍粒子负载在氧化铝上制备了加氢催化剂(丁连会，胡永康，发明专利号：01133372.3)。贺振富等在添加了镧、锆、铈、钇、镨的氧化铝上负载贵金属活性组分制备了一种热稳定性和活性较好的汽车尾气净化催化剂(贺振富，邵潜，景振华，达志坚，段启伟，沈宁元，发明专利号：02103902.X)。安立敦等通过用HAuCl₄溶液浸渍球形氧化铝载体、碱处理、还原，制备了对CO具有低温氧化催化活性的催化剂(安立敦，齐世学，索掌怀，翁永根，邹旭华，发明专利号：03138786.1)。关乃佳等在含堇青石的复合载体上负载Cu、Ag、La等制备了用于汽车尾气处理的催化剂(关乃佳，李兰东，刘书亮，李德新，发明专利号：03120993.9。邢巍等通过用活性炭吸附铂、钌氯化物或溴化物，然后用氢气还原获得了负载有粒径为3±0.5纳米的铂粒子的直接甲醇燃料电池纳米电催化剂(邢巍，薛新忠，刘长鹏，陆天虹，发明专利号：03148600.2)。邢巍等在活性炭上吸附贵金属盐，然后还原，制备了粒径为4±0.5纳米铂一元或铂-钌二元燃料电池阳极催化剂(邢巍，杜荣兵，陆天虹，发明专利号：01118253.9)。石瑶等用炭材料吸附氯铂酸，用甲醛还原制得含粒径3.6～11.7纳米铂纳米粒子的质子膜燃料电池用纳米铂催化剂(石瑶，邓红梅，严小敏，陈晓枫，柳后田，发明专利号：01126184.6)。Chan-ho Pak等先制备了Pt/BaO-SiO₂-Al₂O₃，Rh/BaO-SiO₂-Al₂O₃及其复合体用于汽车尾气处理(Chan-ho Pak，et al，US Patent，Patent Number：5,916,839)。Sang-cheol Park等报到了能吸附氮的氧化物的催化剂载体：BaMnO₃/Al₂O₃，CaMnO₃/Al₂O₃(Sang-cheol Park，et al，USPatent，Patent Number：5,906,958)。C.-J.Zhong等制备了炭担载的PtVFe合金纳米粒子，显示良好的氧还原反应催化能力(C.-J.Zhong，et al，USPatent，Patent Number：7053021)。他们还先制备双金属AuPt纳米粒子，然后组装到碳黑或碳黑/TiO₂上，得到良好的燃料电池正负催化电极(C.-J.Zhong，et al，US Patent，Patent Number：US2006178260)。Rokicki Andrzej等制备了用于加氢催化的Ir_xPd_yM_z催化剂(Rokicki Andrzej，et al，USPatent，Patent Number：US2006178262)。ChaJennifer等用纳米粒子组装各种微结构，并预测这些微结构在催化方面具有应用前景(Cha Jennifer，etal，US Patent，Patent Number：US2003082237)。V B Ukraintsev等先合成零价钯，然后将之沉淀在纳米级碳黑上，制得含Pd加氢催化剂(V BUkraint sev，et al，Russ ian Patent，Patent Number：RU2258561)。贺军辉等制备了Pd-Ag核壳纳米粒子，其显示出远高于商品催化剂的加氢催化活性(贺军辉等，US Patent，Patent Number：2003047028，)。Adzic Radoslav等制备了Pt及其合金包覆的Pd和Pd合金粒子，并将之应用于燃料电池(AdzicRadoslav，et al，US Patent，Patent Number：US2006135359)。MONSANTO公司开发了一个过程来用钌等降低机动车尾气中氮氧化物的排放量(MONSANTO，Patent，Patent Number：GB1425481)。