一种燃料电池催化用活口空壳式纳米Pt微结构的制备方法转让专利
申请号 : CN202110505883.1
文献号 : CN113206262B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 董志强 , 李云龙 , 王洪涛
申请人 : 太原科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种燃料电池催化用活口空壳式纳米Pt微结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将带正电荷的纳米Fe粒子与带负电荷的纳米Au粒子采用负载电荷的方式汇聚,汇聚后的纳米颗粒再和一个FeSO4·7H2O的液滴汇聚,Fe继续增长并与结合微粒成紧密结合制得纳米Fe‑Au二聚体作为前驱体;
所述带正电荷纳米Fe粒子的制备方法为:在微通道里驱动氮气包裹的FeSO4·7H2O液滴流,经过NaBH4液相驱使的膜分散式微反应器,液滴经过NaBH4的液膜后,在液滴汇聚作用下液滴内部对流传质,反应生成Fe粒子,液滴继续前行,遇到另一通道液滴竣基高分子液滴,液滴汇聚后纳米Fe粒子被高分子材料包覆,经过300mV电场使其带正电荷;
所述带负电荷纳米Au粒子的制备方法为:在微通道驱动氮气包裹的四氯酸金液滴,经过NaBH4液相驱使的膜分散式微反应器,液滴经过NaBH4的液膜后,在液滴汇聚作用下液滴内部对流传质,还原反应生成Au粒子,液滴继续前行,遇到另一通道液滴脒基高分子液滴汇聚后纳米Au粒子被高分子材料包覆,经过300mV电场使其带负电荷;
S2、驱动纳米Fe‑Au二聚体的液滴和微通道液滴K2PtCl4汇聚,将Pt单质置换出来,得到Pt半包覆的Fe‑Au@Pt纳米微结构;
S3、采用超声波破碎,把覆盖铂金属的纳米颗粒Fe和另一种纳米颗粒Au剥离开来;
S4、通过酸洗覆盖Pt金属的Fe原子,从而制备空壳式Pt微结构。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化用活口空壳式纳米Pt微结构的制备方法,其特征在于:所述负载电荷的方式中正电荷配体为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵中的一种,负电荷配体为柠檬酸根、硼氢根、聚乙烯吡咯烷酮中的一种,通过静电吸附作用使带有不同电荷的纳米粒子自发吸附团聚形成纳米二聚体。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化用活口空壳式纳米Pt微结构的制备方法,其特征在于:所述前驱体为不少于一个的纳米Fe颗粒与不少于一个的纳米Au颗粒的二聚体。
说明书 :
一种燃料电池催化用活口空壳式纳米Pt微结构的制备方法
技术领域
背景技术
离技术、石油化工行业、精细化工和医药中间体等。利用微反应技术制备的金属纳米微粒,
其构型、粒径大小和粒径分布具有极高的可控性,同时,根据微粒的生长机理,可调节催化
剂的物理参数如增大孔容、比表面积等来提高其催化性能。
的金属纳米粒子组成粒子对,这也是用来构建更高层次的纳米结构的一种有效手段。纳米
金属粒子二聚体之间的构效关系是更高级纳米构体组装策略、种类和效率的物理基础。目
前,被学界广泛接受的纳米颗粒(Nanoparticles)生长机理有两种:一是基于异质成核‑再
生长的拉默生长(LaMer Growth);另一个则是基于初级颗粒(Primary Particles)融合的
聚集生长(Aggregative Growth)。这些生长机理研究对指导纳米材料合成和应用具有里程
碑式的意义。
好、高效高能量密度及易操作等优点。PEMFC阴极氧还原反应(oxygen reduction
reaction,ORR)是动力学慢反应,需要使用贵金属铂(Pt)作为催化剂,其成本约占燃料电池
系统的45%。
米Pt结构以催化剂活性组分作为壳,以过渡金属元素作为核,具有很高的贵金属利用率和
氧还原催化活性,有利于降低成本,但这类核壳式纳米Pt结构由于有过渡金属作为核,不能
很大的发挥其催化性能,降低了催化剂的利用率。
贵,成为本领域技术人员待以解决的技术难题。
发明内容
稳定性和降低Pt单位功率使用量。
液滴中FeSO4·7H2O的物质耗尽则反应中止,纳米粒子的体积取决于液滴溶液的浓度和液滴
体积以及液滴经过膜装反应器中液膜的时间。液滴继续前行,遇到另一通道液滴竣基高分
子液滴,液滴汇聚后纳米Fe粒子被高分子材料包覆,经过300mV电场使其带正电荷。
子,液滴中四氯酸金物质耗尽则反应中止,纳米Au粒子的体积取决于液滴溶液的浓度和液
滴体积以及液滴经过膜装反应器中液膜的时间。液滴继续前行,遇到另一通道液滴脒基高
分子液滴汇聚后纳米Au粒子被高分子材料包覆,经过300mV电场使其带负电荷。
聚体作为前驱体;
种纳米颗粒Au剥离开来。通过酸洗覆Pt颗粒的Fe原子,从而制备空壳式Pt微结构,其构型和
比表面结及物性相对目前流行的核壳式Pt纳米粒子,是一种有效的改良思路。
‑
氢根(BH4)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种,通过静电吸附作用使带有不同电荷的纳米粒
子自发吸附团聚形成纳米二聚体。
小和液滴输运的物质浓度来决定汇聚后反应时间,控制液滴中纳米颗粒的生长开始和生长
终止,从而决定其粒径分布。通过静电作用使液滴中纳米粒子汇聚从而形成金属纳米二聚
体,以此作前驱体,通过金属Pt置换反二聚体中的金属Fe,形成核壳式Pt‑Fe‑Au三聚体半包
覆金属结构,超声波破碎该结构,经过酸洗半包覆的Pt‑Fe核壳结构中的Fe元素,形成带活
口的空壳式Pt纳米粒子,该Pt微粒子比传统的核壳式Pt纳米粒子有效比表面积增加约1/2
倍。
附图说明
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
结合制得纳米Fe‑Au二聚体作为前驱体;所述纳米Fe粒子采用液相还原法制备:在微通道里
驱动氮气包裹的FeSO4·7H2O液滴流,经过NaBH4液相驱使的膜组装微反应器,液滴经过
NaBH4的液膜后,在液滴汇聚作用下液滴内部对流传质,反应生成Fe粒子,液滴继续前行,遇
到另一通道液滴竣基高分子液滴,液滴汇聚后纳米Fe粒子被高分子材料包覆,经过300mV电
场使其带正电荷;所述纳米Au粒子采用液相还原法制备:在微通道驱动氮气包裹的四氯酸
金液滴,经过NaBH4液相驱使的膜组装微反应器,液滴经过NaBH4的液膜后,在液滴汇聚作用
下液滴内部对流传质,还原反应生成Au粒子,液滴继续前行,遇到另一通道液滴脒基高分子
液滴汇聚后纳米Au粒子被高分子材料包覆,经过300mV电场使其带负电荷;所述负载电荷的
方式中正电荷配体为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚二烯丙基二甲基
‑
氯化铵(PDDA)中的一种,负电荷配体为柠檬酸根、硼氢根(BH4)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中
的一种,通过静电吸附作用使带有不同电荷的纳米粒子自发吸附团聚形成纳米二聚体;
属离子(如铂、金配离子)与还原性强的金属(如铁、银)纳米粒子的表面原子发生置换反应,
从而形成包覆层的方法。
理,定向强化传递,自下而上构建各向异性纳米颗粒。
纳米微结构5,剥离得到Pt颗粒的Fe原子6,酸洗后得到空壳式Pt微结构7。图2为实施例的带
活口的纳米Pt微结构构建衍生图,其中空壳式Pt微结构可为一个或多个Pt壳;Pt壳可在侧
方单侧或双侧开口;Pt壳可在下方开口。
Au二聚体3将K2PtCl4中Pt单质置换出来,得到Pt半包覆的Fe‑Au@Pt纳米微结构5,应用超声
波破碎分离,把覆盖铂金属的纳米颗粒和另一种纳米颗粒Au剥离开来。通过酸洗覆Pt颗粒
的Fe原子6,从而制备空壳式Pt微结构7,活口空壳式Pt微结构的构型和比表面结及物性相
对目前流行的核壳式Pt纳米粒子,是一种有效的升级思路。
种变化,各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。