[发明专利]金属铂黑纳米团簇催化剂及其制备方法

说明书

金属铂黑纳米团簇催化剂及其制备方法，属于催化剂及其制备技术领域。解决了现有技术中金属铂黑催化剂的制备方法复杂、无法批量生产，制备的粒子大、易于聚集、稳定性不好的技术问题。本发明的制备方法：先在室温下，将金属铂盐分散到水中，得到第一悬浊液；然后将氨水逐滴加入第一悬浊液中，搅拌，得到第二悬浊液；再将固体硝酸盐加入到第二悬浊液中，搅拌，得到第三悬浊液；再经旋转蒸干，得到催化剂一号前驱体；随后在空气气氛下煅烧，水洗、干燥，得到催化剂二号前驱体；最后在混合氢气氛围下还原，得到金属铂黑纳米团簇催化剂。该制备方法简单、经济且环境友好，适合工业化大规模生产，制备的催化剂为粒子形状，稳定性好、分散性好。

技术领域

本发明属于催化剂及其制备技术领域，具体涉及一种金属铂黑纳米团簇催化剂及其制备方法。

背景技术

由于粒子尺寸处于纳米量级，纳米催化剂表现出独特的表面与界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，在化学、光学、电学、磁学及生物学等各个领域都有着重要应用。铂(Pt)纳米材料将贵金属Pt独特的物化性质与纳米材料的特殊效应有机结合，表现出比表面积大、表面活性位多、吸附能力强、酸碱性条件下稳定性高等特点。Pt纳米材料的这些特点使其在多相催化领域展现出极大的应用优势，例如在催化小分子醇类氧化、氧气还原、氢气析出、CO氧化、CO₂还原、烯烃加氢反应及光催化等方面，Pt纳米催化剂可以有效提高反应效率、使反应条件趋于温和。大量研究表明，Pt纳米催化剂的活性及稳定性极易受到其粒子尺寸、粒径分布、形貌结构及表面状态的影响，当粒子尺寸过大、粒径分布不均一或粒子表面存在吸附物时，均容易导致催化剂表面的活性位点数目减少，使得催化活性降低。因此，调控粒子尺寸及形貌、高效制备尺寸均一且表面清洁的Pt纳米催化剂成为一项重要的研究课题。

现有技术中，已经发展的Pt纳米催化剂的制备方法包括：模板法、晶种法、溶剂热法、热分解法、射线辐照法、电化学沉积法等，例如Uoyama等人以聚醚醇等聚合物为软模板，制备了中空Pt纳米管(T.Kijima,T.Yoshimura,M.Uota,T.Ikeda,D.Fujikawa,S.Mouri,S.Uoyama；Noble-Metal Nanotubes(Pt,Pd,Ag)from Lyotropic Mixed-SurfactantLiquid-Crystal Templates；Angewandte Chemie International Edition；2004 43 228-232)；Somorjai等以EO₁₃PO₃₀EO₁₃三嵌段共聚物为封端剂，通过晶种法制备了尺寸为3.5～6.6nm的Pt纳米粒子(K.Niesz,M.Grass,G.A.Somorjai；Precise Control of the PtNanoparticle Size by Seeded Growth Using EO₁₃PO₃₀EO₁₃ Triblock Copolymers asProtective Agents；Nano Letters,2005 5 2238-2240)；Korzeniewski等以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，在120℃条件下反应48h得到Pt纳米立方体(C.Gumeci,A.Marathe,R.L.Behrens,J.Chaudhuri,C.Korzeniewski；Solvothermal Synthesis andElectrochemical Characterization of Shape-Controlled Pt Nanocrystals；TheJournal of Physical Chemistry C,2014 118 14433-14440)；Sun等人在痕量Fe(CO)₅存在下，通过Pt(acac)₂的热分解得到具有不同尺寸的Pt纳米立方体(C.Wang,H.Daimon,Y.Lee,J.Kim,S.Sun；Synthesis of Monodisperse Pt Nanocubes and Their EnhancedCatalysis for Oxygen Reduction,Journal of the American Chemical Society,2007129 6974-6975)；Kondow等人以十二烷基磺酸钠(SDS)作稳定剂，用高强度的紫外脉冲激光进行辐射，得到了粒径约为1.5nm的Pt纳米粒子(F.Mafuné,T.Kondow；Selective laserfabrication of small nanoparticles and nano-networks in solution byirradiation of UV pulsed laser onto platinum nanoparticles；Chemical PhysicsLetters,2004 383 343-347)；Wang等人通过电化学沉积法制备了具有高指数晶面的Pt二十四面体纳米晶(N.Tian,Z.-Y.Zhou,S.G.Sun,Y.Ding,Z.L；Wang,Synthesis ofTetrahexahedral Platinum Nanocrystals with High-Index Facets and HighElectro-Oxidation Activity；Science,2007 316 732)。尽管上述方法已经成功用于合成尺寸均一的Pt纳米催化剂，但制备过程中常需要采用聚合物(如PVP、聚醚醇等)作为保护剂，以避免纳米粒子的团聚。然而，聚合物的溶解性通常较差，容易包覆于纳米粒子表面，导致Pt纳米粒子的活性位点数减少，活性降低。同时上述制备方法中涉及如DMF等毒性较强的有机溶剂，且合成方法复杂，制备得到的产物产量有限，无法满足工业化生产的要求，极大限制了Pt纳米材料的大规模应用。