[发明专利]用于燃料电池的铂催化剂多肽仿生制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的铂纳米催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

绿色、高效、低能耗并可方便携带的有机小分子燃料电池，如直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池等，是目前燃料电池领域技术开发的热点之一。铂基纳米粒子是燃料电池广泛使用的催化剂，但由于具有较多的晶格边界、缺陷位点和低配位数的高活性表面原子，纳米颗粒在使用过程中非常容易发生团聚，造成电化学有效活化面积和使用寿命迅速降低。对铂纳米颗粒进行一定程度的有序组装有望克服其团聚与流失问题，从而提高其活性与稳定性。

可作为铂纳米线合成的模板材料有很多种，如多孔氧化铝、碳纳米管、蛋白质、表面活性剂胶束、细胞骨架、DNA和病毒等。但这些模板材料有诸多缺点，如有机溶剂的使用带来的环境污染、模板结构复杂导致形貌难以调控、生物安全性未知、模板不易于去除等。

受到生物矿化研究硬组织生长和再生过程研究的启发，近年来，许多研究者在温和友好的环境下，利用生物矿化方法设计合成特定的功能材料，因此，生物分子如核酸、糖类、蛋白质和多肽等被广泛应用于功能材料的合成过程。选择生物分子做模板，并不仅仅是因为它比较容易得到小尺寸的纳米线，还可以利用生物分子本身所具有的选 择性，来实现在特定表面的组装，以及制备完整的纳米阵列。

多肽是由氨基酸组成的聚合物分子，由于组成氨基酸特殊的结构及其立体化学构型，多肽展现出不同的二级结构，如α-螺旋和β-折叠，β-折叠不仅在多肽纤维化的疾病中具有重要作用，在特定功能材料的设计和组装中也具有重要应用，基于这些二级结构，多肽可以自组装为形貌多样、尺寸可调的各种纳米结构，如纳米纤维、纳米带、纳米螺旋、纳米管、纳米囊泡、纳米胶束和纳米片等。由于多肽具有独特的自组装序列和识别性能，因而使多肽在贵金属纳米结构的组装中具有重要作用。

基于这些模板的制备方法有：电化学沉积、化学气相沉积、胶体溶液化学沉积法(胶体溶液合成法)等。气相沉积法是一种比较成熟的一维纳米材料的制备方法，但受前驱体的影响，利用此方法难以得到三元组分化合物以及掺杂化合物。同时，沉积在基底上的纳米材料基本上是杂乱无章的，只能用刻蚀的方法预先获得图案状的基底，随后沉积得到广义上的非单分散的阵列。电化学沉积法是在外加电源下，通过在电解池阳极上的氧化反应或阴极上的离子还原反应和电结晶在固体表面生成沉积层的过程。但是受电压和电流影响较大，电压和电流可能不稳定，导致制备的纳米材料不均匀，影响性能。

相比化学气相沉积、电化学沉积等方法，胶体溶液合成法，即常温常压条件下，向一定浓度的铂前驱体溶液中直接加入还原剂制备零价铂胶体溶液的方法。胶体溶液合成法有以下三方面优点：1)无需特殊的仪器设备，价格低廉；2)基于溶液的处理及组装容易实现；3)能 同时合成大量的纳米颗粒；4)实验简便灵活，容易进行。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于燃料电池的铂纳米催化剂及其制备方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种铂纳米催化剂，所述铂纳米催化剂的结构为：以两亲性多肽分子的自组装体为模板，表面吸附有铂纳米粒子的一维连续铂纳米线。

在上述方案的基础上，所述两亲性多肽分子为长度在4-10个氨基酸残基的两亲性多肽分子，其中含有3-9个疏水性氨基酸残基、1-2个亲水性氨基酸残基和0-2个极性氨基酸残基。

在上述方案的基础上，所述疏水性氨基酸为丙氨酸(A)、异亮氨酸(I)、亮氨酸(L)、缬氨酸(V)和苯丙氨酸(F)中的一种氨基酸的多次重复或者2-3种氨基酸的有序排列。

在上述方案的基础上，所述亲水性氨基酸为天冬氨酸(D)、赖氨酸(K)、精氨酸(R)、组氨酸(H)和谷氨酸(E)中的一种或者两种的组合。

在上述方案的基础上，所述极性氨基酸为丝氨酸(S)、苏氨酸(T)和半胱氨酸(C)中的一种或两种的组合。

一种用于燃料电池的铂纳米催化剂制备方法为：

将多肽分子溶液与铂前驱体溶液混匀，加入还原剂后密闭混匀，反应温度为室温到80℃，反应时间为0.5-24小时，反应完后离心分 离，既得。

在上述方案的基础上，多肽分子溶液的浓度为：0.1mM-1mM；

所述铂前驱体为氯铂酸或氯铂酸盐，铂前驱体溶液的浓度为：1mM

多肽分子与铂的摩尔浓度比为：1:2-10。

在上述方案的基础上，所述还原剂为硼氢化钠、抗环血酸、甲酸、水合肼中的一种还原剂和两种还原剂组合。