[发明专利]具有受控尺寸和形态的胶体贵金属纳米粒子的合成

说明书

技术领域

本发明涉及用于催化剂用途的具有高贵金属浓度的卤化物、碱金属和碱土金属和无硫胶体贵金属纳米粒子及其合成方法。

发明背景

贵金属纳米粒子(PGMNPs)由于它们独特的催化、电子和光学性质而引起极大的兴趣。例如，铂基催化剂(包括铂纳米粒子，PtNPs)广泛用于汽车排放控制、化学工业工艺、石油工业和低温燃料电池。参见U.A.Paulus,T.J.Schmidt,H.A.Gasteiger,R.J.Behm,J.Electroanal.Chem.,134,495(2001)；J.W.Yoo,D.J.Hathcock,M.A.El-Sayed,J.Catalysis,214,1-7(2003)和P.K.Jain,X.Huaung,M.A.Ei-Sayed,Acc.Chem.Res.,41,1578-1586(2008)。具有受控尺寸和形状的Pt纳米粒子(PtNPs)的合成为开发高性能工业Pt催化剂提供了巨大机会。参见M.Q.Zhao,R.M.Crooks,Adv.Mater.,11,217-220(1999)；M.Oishi,N.Miyagawa,T.Sakura,Y.Nagasaki,React.Funct.Polym.67,662-668(2007)和K.Peng,X.Wang,X.Wu,S.Lee,Nano Lett.,9,3704-3709(2009)。

已经开发出许多方法来合成PGMNPs，这包括喷雾热解、气相沉积、高温还原-融合和湿化学合成。参见X.Xue,C.Liu,W.Xing,T,Lu,J.Electrochem.,Soc.,153,E79-84,2006；P.Sivakumar,I.Randa,T.Vincenzo,Electrochim.Acta,50,3312-3319,2005；D.W.Mckee,Nature,192,654,1961；和A.Siani,K.R.Wigal,O.S.Alexeev和M.D.Amiridis,J.Catalysis,257,5-15,2008。用于制备PGMNPs的湿化学合成法由于其技术简单和低成本而引起相当大的关注。湿化学合成法也可提供通过简单控制反应成分和合成条件而控制：(1)贵金属(PGM)纳米粒子粒度和粒度分布；(2)纳米粒子形态；和(3)PGM基合金组成和结构的可能。

在典型的湿化学合成中，通过在含稳定剂的溶液中用还原剂还原PGM前体合成胶体PGMNPs。过去，为合成用于催化剂用途的此类胶体PGMNPs，已作出许多努力。参见M.Adlim,M.A.Bakar,K.Y.Liew和J.Ismail,J.Molecular Catalysis A,212,141-149,2004；P.R.Rheenen,M.J.Mckelvy和W.S.Glaunsinger,J.Solid State Chemistry,67,151-169,1987；和O.V.Cherstiouk,P.A.Simonov,E.R.Savinova,Electrochim.Acta,48,3851-3860,2003。但是，用于制备胶体PGMNPs的现有合成方法未满足某些催化剂用途的要求。首先，文献中报道的合成通常用非常稀的PGM溶液(～10^-4M)进行。因此，所得PGM纳米粒子的浓度太低以致对大多数催化剂制品不实用。其次，所报道的合成方法常使用含卤素的PGM前体和含钠的无机还原剂。因此，不想要的Na⁺和卤素(例如Cl^-)离子在合成后留在催化剂表面上。此类离子可毒化和不利地影响由此制成的催化剂的性能并因此需要合成后的洗涤过程以完全除去这些离子。第三，所报道的合成大多使用危险的有机溶剂和/或有毒的有机还原剂物类。此外，难以获得具有所需尺寸的纳米粒子。例如，在文献中仅报道了1-3纳米PtNPs的合成。此外，据报道一些合成需要特殊装置并在苛刻和/或难以控制的条件下运行。

因此，具有高金属含量的无卤素和无钠的胶体PGMNPs的环保和尺寸受控的合成是有用的。

发明概述

一方面，本公开提供一种胶态分散体，其包含：一种或多种贵金属(PGMs)的纳米粒子和含至少一种极性溶剂的分散介质。这样的胶态分散体可有利地包含其它组分，例如至少一种水溶性聚合物悬浮稳定剂和至少一种有机还原剂。这样的胶态分散体有益地可以基本不含卤化物、碱金属、碱土金属和硫化合物并可表现出高稳定性。