[发明专利]一种能够稳定分散在水中的钌纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备无保护剂存在就能够稳定分散在水中的核壳结构的钌纳米材料，属于纳米材料技术领域。

背景技术

金属纳米颗粒具有不同于金属原子和体相金属的特殊的物理和化学性质，因而广泛应用于催化工业、微电极反应以及生物工程等领域。近年来，采用不同方法制备高分散、尺寸分布窄的金属胶体并将其有效利用，已成为许多纳米材料制备工作者努力的目标。通常情况下，纳米颗粒的制备过程是利用各种合成或天然的表面活性剂作为保护剂，使用醇、柠檬酸盐、硼氢化钠等还原剂将贵金属离子还原得到纳米胶体。其中保护剂添加的目的是使得纳米颗粒能够稳定且均匀分散在溶液中[Materials Chemistry and Physics 111(2008)98-105]。这些物质的加入虽然会有效地稳定纳米粒子，但是对反应物在颗粒表面的有效吸附、化学反应的发生以及产物的脱附起到了抑制作用，因此在使用纳米材料时就不得不先将其脱离保护剂体系。

目前将贵金属纳米颗粒高分散地负载在载体上，是将纳米颗粒充分利用的有效方法，负载方法有两种：利用载体直接吸附胶体中的纳米颗粒；或者先将前驱体浸渍到介孔材料的孔道里，然后原位还原得到纳米颗粒，这种方法可以通过调节孔道的尺寸实现对纳米颗粒尺寸的控制。这些方法虽然可以实现纳米颗粒的固载化，保持了纳米颗粒的粒径分布，并且解决了催化剂不易与产物分离和重复使用等问题，但是这些方法通常对载体有很高要求。普通无机氧化物载体必须进行表面修饰或具备特殊织构性质才能实现其对纳米材料吸附的功能。而这种被修饰的载体表面很难保证在应用于催化反应时，催化剂的活性不受影响。如于伟泳等人[Journal of Molecular Catalysis A：Chemical.142(1999)201-211]把Al₂O₃等载体预先用三苯基膦(TPP)的乙醇溶液处理3小时，然后加到PVP作保护剂的Pt溶胶中搅拌24小时；过滤后再分别用水、甲苯/乙醇的混合液冲洗；真空干燥后得到了负载Pt的催化剂。虽然催化剂上的纳米Pt粒径保持良好，但是由于经过了多步处理程序，外部环境的变化可能已经使得纳米颗粒的结构和化学组成等性质已经发生了变化，并且过滤洗涤过程会造成贵金属纳米颗粒的流失，造成材料浪费。对于载体的处理过程不仅过于复杂，而且会产生大量污染物。另外，目前已公开并可以利用的孔道尺寸可调的孔材料较少，如果利用介孔材料调节纳米颗粒的尺寸，就需要先合成出孔道尺寸可调的孔材料，这无疑又给纳米材料的合成增添一道难题。

钌突出的特点就是具有多种价态，并且钌及其氧化物具有较好的氧化还原能力，从而广泛应用于催化和超电容器领域。另外，与其他贵金属如铂、金、铑相比其价格较低，有利于工业应用。基于以上分析，本发明的对象锁定为无任何保护剂存在的条件下，稳定高分散的钌纳米颗粒的制备，具体内容如下。

发明内容

本发明目的是为了克服纳米溶胶体系在应用上的不足，获得无需保护剂就可以稳定分散在水中的钌纳米颗粒。另外一个目的是为所有高分散于水中的贵金属纳米颗粒提供一种过程简单，成本低，重复性好，绿色无污染的制备方法。本发明是利用常温常压电化学合成方法，通过实验条件的调变，制备出了一种核壳结构的材料，是二氧化钌作为壳包覆钌纳米晶核的结构。由于二氧化钌是亲水性物质，因此纳米颗粒能够稳定分散在水中，并且氧化物的包覆阻断了金属钌纳米晶的聚合。这种可以稳定存在于水中的纳米颗粒材料最大的优势在于，可以直接负载在任何载体上进行应用，从而避免了由于去处保护剂造成的污染和材料浪费，以及去除外加保护剂后颗粒发生再聚集、织构变化等问题。本制备方法具有反应速度快且易操作，收益高且重复性好，制作成本低且绿色无污染的优点。