[发明专利]一种通过原位合成法在多壁碳纳米管表面可控负载金属铂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在多壁碳纳米管表面可控负载金属铂的方法，尤其涉及一种通过原位合成法在多壁碳纳米管表面可控负载金属铂的方法。 

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。因具有能量转换密度高、燃料多样化、可靠性高、污染小、噪音低及便于维护等优点，燃料电池正逐渐成为新世纪能源领域的主流产品。其中DMFCs和质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究更令人关注。然而，电催化剂成为制约燃料电池商品化应用的重要因素之一。究其原因在于：(1)电催化剂通常为Pt等贵金属及其合金，价格昂贵且利用率低。(2)燃料电池用阳极催化剂均存在电催化活性低，重整气或甲醇直接氧化过程中产生的CO等中间产物易使催化剂中毒，从而使电池性能大幅度下降。因此，提高电催化剂的催化活性和抗中毒能力已成为燃料电池研究急需解决的关键问题。 

将催化剂负载到各种基底上的方法是一种有效提高电催化剂催化性能的途径。在各种基底中，碳纳米管(CNTs)受到了人们很大的关注。CNTs特殊的拓扑结构及其在端口、弯曲处存在的大量五元环、七元环使得CNTs具有特殊的电子结构和吸附性能，使其有望在催化领域得到广泛的应用。有研究表明CNTs比炭黑具有更好的抗腐蚀能力，对氧还原具有明显的催化效果，这些特性使CNTs非常适合做纳米粒子催化剂的基底。 

近年来，在CNTs表面负载铂纳米粒子催化剂的技术日渐成熟。但是，CNTs难以溶于一般溶剂且有高的曲率半径，使得在其表面负载纳米粒子催化剂困难重重。目前在CNTs上负载铂纳米粒子催化剂的常用技术有以下几种：浸渍法(CN 02137246.2)、甲醛还原法(CN 200410008326.5; CN 1780037A)、微波辐射加热法(CN 02160191.7)、乙二醇回流法(200410008326.5)、电沉积法(CN 101554597A)等制得Pt/CNTs催化剂。但这些方法归结起来可分为化学法和物理法。化学法通常采用强酸对CNTs进行回流或超声等氧化处理，使CNTs表面产生诸如羧基、羰基、羟基等功能基团。经过预处理的CNTs可通过还原，水解等方法负载不同种类的纳米粒子(Wang, S. Y., Wang, X., Jiang, S. P. Langmuir 2008, 24, 10505)。但是，在强酸处理CNTs的过程中，CNTs的SP² 杂化被破坏，其内在的物理化学性质发生变化。或者采用离子液体、表面活性剂等对CNTs表面进行改性，使其带上不同电荷吸附贵金属离子，再还原成金属纳米粒子。但该方法程序复杂、操作繁琐、成本昂贵，不易推广。物理法主要以电沉积为代表，电沉积法虽可简单高效的在CNTs表面沉积纳米粒子，但存在一些诸如在电沉积过程中伴随着H⁺的还原，沉积的量和理论值有很大偏差等问题(Halder, A., Sharma, S., Hegde, M. S., Rvishankar, N. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1466)。 

因此，传统的在CNTs表面负载Pt NPs催化剂的方法有很多不足之处，更为关键的是以上方法大多没有考虑形貌尺寸可控的Pt NPs催化剂，使用已有的方法难以将形貌与尺寸可控的Pt NPs催化剂负载到CNTs表面。然而，简便、高效地在CNTs上负载形貌与尺寸可控的Pt NPs催化剂，对提高Pt催化剂的利用率和催化性能、降低燃料电池运行成本等均有重要意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过原位合成法在多壁碳纳米管表面可控负载金属铂的方法，本发明提供的原位合成技术，不仅操作简单、快速，而且不用预先对MWNTs做任何处理、也无需表面活性剂或其它保护剂，从而在操作过程中不破坏MWNTs的sp²杂化，使得MWNTs独有的物理化学性质得以保存。该方法直接将MWNTs和Pt(acac)₂加至三甘醇溶液中，通过调节MWNTs与Pt(acac)₂的质量比和加热温度，即可在MWNTs表面原位生长形貌与尺寸可控且均匀分布的Pt 纳米粒子，获得对甲醇和氧气具有优良电催化性能的Pt/MWNTs纳米复合材料。该方法能够实现催化剂的规模制备，突破了燃料电池关键技术催化剂的研制局限。 

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：