[发明专利]一种立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米催化材料领域，公开了一种立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂及其制备方法和应用，是依次将聚乙烯吡咯烷酮、碘化钾、氯化钯和氯铂酸溶解于N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，在120℃‑200℃下反应，即可得到表面粗糙的立方形PtPd@Pt核壳纳米笼。本发明的制备方法工艺简单、成本低、产率近100％、重复性好，所得产物形貌均一、尺寸一致，作为催化剂在甲醇电催化氧化反应中表现出优异的催化性能。

技术领域

本发明属于纳米催化材料领域，具体涉及一种立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)因具有能量密度高、环境友好、携带方便等优点成为当前非常有吸引力的移动能源转化装置之一，但其阳极催化剂的成本高、活性低、易被毒化、稳定性差等不足严重阻碍着DMFC商业化。目前，Pt是DMFC阳极催化剂不可缺少的活性组分，但单组元Pt催化剂存在对甲醇催化电氧化反应迟缓、易中毒等缺点，且储存量小、价格昂贵，阻碍DMFC商业化。因此，在不降低催化活性的基础上降低Pt的使用量成为DMFC阳极催化剂研究的重点。尽管非Pt催化剂的研究已经取得了较大的进展，但是这类催化剂相对较低的电化学催化活性和稳定性至少近期内不可能商业化。因此，研究开发高活性、低Pt载量、耐CO中毒的Pt基催化剂显得十分必要。已有研究表明，向Pt中引入合适的第二金属M(如Ru、Au、Pd、Cu等)形成的Pt-M二元合金催化剂不仅可以改善催化剂的MOR催化活性和耐CO中毒性，还可以减少Pt的使用量，降低催化剂成本。迄今为止，Pt-Ru合金催化剂是对MOR最有效的二组元Pt基电催化剂体系，但是，Pt-Ru合金中Ru在酸性电介质中极易被电化学溶解，导致催化剂稳定性不好。所以寻找合适的金属与Pt形成合金催化剂是Pt基催化剂研究的重点。在诸多金属中，Pd因具有与Pt相似的物化性质而备受研究者的关注，且与Pt相比其储藏量较大、价格较便宜。另外，Pd与Pt的晶格差异非常的小(不匹配度仅为0.77％)，所以Pt与Pd能形成任意比例的合金。

发明内容

针对现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)向N,N-二甲基甲酰胺中依次加入聚乙烯吡咯烷酮和碘化钾，搅拌均匀；

(2)向步骤(1)所得的均匀液体中加入氯化钯粉末，搅拌至溶解；

(3)将六水合氯铂酸溶于超纯水中形成氯铂酸水溶液，然后加入到步骤(2)所得的混合溶液中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；

(4)将步骤(3)所得前驱体溶液在120～200℃下反应4～10h，待反应结束后冷却至室温，所得产物经离心、洗涤，即得立方形PtPd@Pt核壳纳米笼电催化剂。

优选地：步骤(1)中，N,N-二甲基甲酰胺的体积为10～20mL、聚乙烯吡咯烷酮的质量为200～600mg、碘化钾的质量为20～80mg；步骤(2)中，氯化钯粉末的质量为0.5～3mg；步骤(3)中，氯铂酸水溶液的浓度为0.1～0.5M，体积为50～100μL。

优选地，步骤(4)中：所述洗涤是指用环己烷和无水乙醇的混合液进行洗涤，洗涤次数为3～5次；所述离心的速率为8000～13000rpm。

本发明原理为：采用一锅法(one-pot)，以氯化钯和氯铂酸为前驱体、DMF为溶剂和还原剂、PVP为核-壳结构导向剂、KI为立方形笼结构导向剂，通过反应，合成出尺寸和形貌均一的立方形PtPd@Pt核壳纳米笼(以PtPd为核、以Pt为壳)。

本发明所合成的立方形PtPd@Pt核壳纳米笼用作电催化剂催化甲醇电氧化反应，表现出优异的催化性能。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：