[发明专利]一种Pt开口空心球结构催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Pt开口空心球结构催化剂的制备方法，其特征是，一步化学还原法制备Pt开口空心球结构催化剂，具体为：在装有8mL氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂（DES）的容器中分别加入4.0mg Pt(acac)₂、10mg‑80mg十二烷基硫酸钠（SDS）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），常温下超声处理10分钟并磁力搅拌5分钟后将所得悬液于110℃‑160℃下搅拌反应0.5小时‑5小时，反应产物经离心、洗涤后，即可得到Pt开口空心球结构催化剂。这种方法具有操作过程简单、步骤少、一步即可成功合成、条件温和可控等优点，显示出良好的应用前景。该方法制备的Pt开口空心球结构催化剂具有孔径大，电化学活性表面积高等特点，能提升贵金属Pt的利用效率及其对甲醇氧化的电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明涉及电催化和燃料电池领域，具体是一种Pt开口空心球结构催化剂及其制备方法，以及在直接甲醇燃料电池中的应用。

背景技术

目前，直接甲醇燃料电池（DMFC）的阳极过程催化剂仍以Pt基材料为主，但Pt资源稀缺，催化剂的成本高昂，且在催化过程中伴随着纳米颗粒的聚集，导致催化活性急剧衰减。此外，Pt基催化剂多为实心结构，在一定程度上不利于贵金属Pt的充分利用。构建结构坚固且贵金属Pt利用率高的新型催化剂是解决这些问题的有效途径之一。近年来，Pt基纳米催化剂的形状控制合成已受到人们的广泛关注。在所研究的诸多形状中，空心结构催化剂以其拥有的低密度、高比表面积、易渗透性等特殊的物理化学性质，逐渐在形状控制合成领域脱颖而出。文献报道中通常使用模板法或金属间电化学置换法来制备Pt基空心结构催化剂。模板法主要在二氧化硅微球、碳球、聚苯乙烯球等模板上沉积Pt基金属，侵蚀或热处理掉内部模板后得到内中空结构；电置换法则是利用两种或多种金属的还原电势差异，通过电化学置换反应于纳米晶种（Ag，Ni，Co等）表面沉积Pt基金属，并伴随内部金属的不断溶解，最终形成内中空结构。尽管模板法和电化学置换法均可以有效制备尺寸可控的空心纳米结构，但这两种方法都存在操作步骤多、所需的模板或纳米晶种的合成过程复杂等缺点，且在处理内部模板以及产物的收集过程中其空心结构易于受到破坏，导致结构塌陷。因此，探索简单有效的Pt基空心结构催化剂的制备方法仍然存在着极大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种Pt开口空心球结构催化剂及其制备方法与应用。这种方法具有操作过程简单、步骤少、一步即可成功合成、条件温和可控等优点，显示出良好的应用前景。该方法制备的Pt开口空心球结构催化剂具有孔径大，电化学活性表面积高等特点，能提升贵金属Pt的利用效率及其对甲醇氧化的电催化活性和稳定性。

实现本发明目的的技术方案是：

一种Pt开口空心球结构催化剂的制备方法，一步化学还原法制备Pt开口空心球结构催化剂，具体为：在装有8 mL氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂的容器中分别加入4.0 mg Pt(acac)₂、10 mg-80 mg十二烷基硫酸钠和10 mg-80 mg聚乙烯吡咯烷酮（PVP），常温下超声处理10分钟并磁力搅拌5分钟后将所得悬液于110℃-160℃下搅拌反应0.5小时-5小时，反应产物经离心、洗涤后，即可得到Pt开口空心球结构催化剂。

所述十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的用量分别为25 mg和30 mg。

应用上述制备方法制得的Pt开口空心球结构催化剂。

上述制备方法制得的Pt开口空心球结构催化剂在直接甲醇燃料电池中的应用。

本技术方案以氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂为介质，通过简单的一步化学还原法构建了一种新型的Pt开口空心球结构催化剂，并将其应用于DMFC的阳极电催化反应。所制得的Pt开口空心球结构催化剂形态和尺寸均一，孔径大，电化学活性表面积高，从而极大地提升了贵金属Pt的利用效率及对甲醇氧化的电催化性能。

附图说明