[发明专利]一种强配体控制下在基底上生长超细三维铂纳米线阵列及其方法

说明书

本发明涉及一种在室温条件下通过强配体控制直接在基底上生长三维铂纳米线阵列的技术，得到的铂纳米线阵列分布均匀，可重复性高，长度，疏密度及表面粗糙度均可控，最后长过铂线的导电基底可直接作为工作电极用于甲醇燃料电池测试，相比于商业铂碳具有较高的活性及稳定性。本发明所需原料简单易得，操作过程简便、安全，成本低，催化活性较高，稳定性较好，可以适于工业规模化生产，具有较强的实用性。

技术领域

本发明涉及直接在导电性材料比如导电玻璃，碳纸，碳布等基底上面生长超细铂纳米线阵列的技术。由于铂基材料是一种优良的催化剂，故而该结构可用于燃料电池比如甲醇燃料电池，质子交换膜电池，具有良好的催化活性及稳定性。

背景技术

近些年来，燃料电池因其具有较高的能量转化效率且无有害物质排放的优点发展迅猛，但是目前依然存在一些技术壁垒就是其催化剂的活性及稳定性的问题。根据文献报道，目前用于燃料电池最好的催化剂是负载在炭黑上的1～3nm的铂纳米颗粒，但是该催化剂由于具有较高的表面能导致其在测试过程中容易发生熟化，聚集现象，而且其载体在此过程中也容易发生氧化腐蚀导致铂颗粒脱落，这些问题都会使其催化活性降低或者消失。为了解决此问题，研究学者们对铂基纳米材料进行了大量的研究，发现一维的铂纳米线结构具有良好的催化活性及稳定性，主要是一维材料具有以下优点(1)较高的长径比；(2)较少的晶界及表面缺陷；(3)良好的电子传输能力。通过查阅文献发现，铂金属由于其各晶面之间的能量相差很大，所以很难形成各种各样的结构尤其是一维结构，所以目前对于合成一维铂纳米线的方法还是很有限，能够合成较好形貌的方法主要还是通过高温油浴的方法，但是这种方法首先条件比较苛刻，另外耗时也比较长，关键是目前这种方法几乎无法在基底上直接长线，只能合成一些free-standing的铂线，而这些线在后期用于电化学测试时依然存在很大的问题，首先这些纳米材料必须通过粘结剂的作用将其黏附在导电材料上，在此过程中纳米线会不可避免的堆积在一起进而会消耗一部分电化学活性面积，而另外粘结剂的使用会影响到电子传输，进而降低催化活性，所以发明一种直接可以生长在导电基底上的三维纳米线阵列的结构至关重要，而目前对于三维铂纳米线阵列的合成方法还是很有限，主要是通过模板及电沉积的方法来合成，比如2009年一篇文章介绍了一种通过PC膜做模板，在室温下合成30nm粗的铂纳米管(J.Phys.Chem.C,Vol.113,No.14,2009)，2018年一篇文章介绍了一种用AAO做模板，通过电沉积的方法合成了直接为200nm,长2μm的铂纳米线阵列(ACS Appl.Energy Mater.2018,1,3973-3983)，而这些方法都依赖与模板或者电沉积的方法来合成铂纳米阵列，同时铂纳米线阵列的直径都较大，这不仅会消耗大量的铂同时也不利于电化学活性的提高。另外，以上方法主要是通过电沉积的方法合成，该方法需要用到相应的电化学设备，相对耗时，花费昂贵。

发明内容

本发明涉及通过强配体控制在室温条件下用湿化学的方法直接在基底上生长超细铂纳米线阵列及其方法。首先该技术操作简单，可批量合成，而且这种直接生长在基底上的材料在进行电化学测试时无需进行制样，直接可以拿来做工作电极。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种在强配体控制下在基底上生长超细三维铂纳米线阵列的方法，其特征在于：该方法可按如下步骤依次进行：

(1)对基底进行表面氨基化处理，即将基底泡在硅烷偶联剂和酸的混合溶液中；

(2)将步骤(1)中基底取出，洗掉多余的硅烷偶联剂溶液，再泡在铂种子液中；

(3)将步骤(2)中基底取出，洗掉多余的铂种子，将其放在氯铂酸、巯基配体、硼氢化钠的混合溶液中进行生长，即可得到三维铂纳米线阵列。

优选的，对基底进行表面处理所用到的硅烷偶联剂可以是带氨基，巯基，氰基基团的硅烷偶联剂。

优选的，步骤1中基底进行表面处理所用到的硅烷偶联剂是三氨丙基三乙氧基硅烷APTES、三氰基丙基三乙氧基硅烷或三巯丙基三乙氧基硅烷，步骤1中处理基底的酸是甲酸，硫酸，硝酸或盐酸。