[发明专利]1nm超薄管壁两端开口超细单晶铂纳米管的制备方法

说明书

一种1nm超薄管壁两端开口超细单晶铂纳米管，它是一种具有5.5nm超细直径、1nm超薄管壁、数十微米长度且中空两端开口的单晶Pt纳米管；上述超细单晶铂纳米管的制备方法主要是将Pd纳米线粉末和乙二醇溶液放入容器，搅拌后滴加氯铂酸溶液，搅拌后离心处理，并用乙醇‑丙酮溶液清洗两次、烘干，得到Pd@Pt核壳结构纳米线粉末；将Pd@Pt纳米线粉末和三氯化铁溶解在盐酸溶液中，磁力搅拌后，将混合液经过离心处理，并用盐酸溶液清洗两次，得到1nm超薄管壁两端开口超细单晶铂纳米管。本发明制备方法简单，制得的铂纳米管具有超细直径、超薄管壁、超长度、单晶结构，具有超高的活性比表面积，在燃料电池正极氧还原反应中表现出很高的催化活性。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，特别涉及一种单晶铂纳米材料的制备方法。

技术背景

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式。譬如在燃料电池中，化学物质可以通过催化剂的作用，以高效、环保的方式将化学能转化成电能，是环保节能时代科学研究的主要内容。其中质子交换膜燃料电池具有操作简单、反应条件温和、高功率输出及启动快等特点，被广泛运用到电动汽车、电动摩托车及便携电源装置中。在燃料电池中，正负两极的反应都需要催化剂的参与才能正常高效的工作，因而，制备电极反应所必须的催化剂是近来研究的热点。其中Pt作为最高效、稳定的催化剂，很早就被应用在生产生活中。但预将此类环保高效的发电装置，更大规模地投入生产并运用到交通运输、工业及农业等领域，最大的障碍则是贵金属催化剂Pt元素在自然界中有限且稀少的含量及其高昂的价格。所以，近几十年来科学家们对合成高效、小尺寸、低Pt贵金属含量的催化剂做了大量的研究工作。

其中，最常见的制备高活性Pt催化剂的方法是将Pt纳米材料的尺寸做到最小，使其催化活性表面积得到大范围的提高。例如，在2012年，Gao课题组在Journal of AmericanChemical Society杂志上发表了，利用胰岛素生物纤维作为生物模板制备直径为1.8nm的超细超长Pt纳米线，其催化活性表面积和甲醇氧化反应效率都取得了大幅度的提高。随后，Nature materials杂志上报道了Nanfeng Zheng教授在二甲基甲酰胺溶液中，利用乙二胺修饰还原制备出直径仅为1.1nm的Pt纳米线，此超细Pt纳米线具有极高的选择性催化效率。所以，将Pt纳米材料的尺寸做到最小化，是一种提高其活性表面积进而提高催化活性的常见且有效的手段。

近几年来，科学家们在力求增大活性表面积的同时又热衷于降低Pt的用量来提高贵金属利用率从而增大其质量比活性。其中，将Pt沉积在其他价格较低的金属表面做成核壳结构的纳米材料是一种能同时能实现增大Pt表面原子利用率和降低铂用量的方法。随着研究的不断发展，科学家们又将核壳结构的核心去除掉，使结构内部的Pt原子也参与到催化反应中，从而使其比表面积变得更大，Pt的利用率也得到了最大程度的提高。Pt纳米管就是一种典型的，既能使Pt纳米粒子利用率达到最大，又能将Pt元素的消耗量降到最低的纳米材料。

在制备Pt纳米管早期的研究中，Yang课题组(Angew.Chem.,Int.Ed.2007,46,4060-4063)通过以银纳米线为牺牲模板，合成了直径为50nm，长度为5-20nm，壁厚为4-7nm的多晶Pt纳米管。不久，Haiwei,Liang等人(Adv.Mater.2009,21,1850-1854)利用Te纳米线作为牺牲模板，制备出直径为5.2nm，壁厚为2nm的Pt纳米管。最近，Zhiqi Huang等人(J.Am.Chem.Soc.2016,138,6332-6335)利用金纳米棒作为核心，将Pt元素包裹在其外壁，后利用Cu²⁺刻蚀方法将Au纳米棒刻蚀掉，从而制备出直径为14-37nm，壁厚为2-25nm的中空Pt纳米管多晶结构，其长度也只有数十纳米。综合科学家们对Pt纳米管的制备与研究发现，其合成的Pt纳米管多为多晶不规则结构，且半径和管壁都未能同时达到最小尺寸的标准，最主要的是无法保证纳米管两端开口的中空通透结构。

发明内容