[发明专利]金属纳米颗粒/碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属纳米颗粒/碳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

Au、Pt、Rh、Ru等金属具有未填满的d电子轨道，此类金属表面极易吸附反应物，并且强度适中，利于形成高活性的中间产物，同时还具有抗氧化、耐高温、耐腐蚀等优良特性，成为最重要的催化剂材料之一。这些金属催化剂以其优良的活性、选择性及稳定性而倍受重视，广泛用于氧化、还原、脱氢、加氢、异构化、芳构化、裂解等反应，在化工、医药、环保及新能源等领域起着非常重要的作用。

纳米概念的产生在化学、物理学、材料科学以及生物科学等领域的基础研究中有着深远意义。进入二十一世纪以来，纳米材料的研究广泛受到人们的重视。当粒子尺寸进入纳米级时，它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大尺度颗粒时相比将会有显著的不同。同时，纳米粒子结构的独特性导致其具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊效应，因而展现出许多传统固体所不具备的性质，在催化、医药、农业及新材料等方面具有广阔的应用前景。

随着纳米技术的进一步发展，关于金属纳米材料的制备方法层出不穷。除了对金属纳米颗粒材料的研究之外，人们更加关注于负载型金属纳米材料。将金属纳米材料负载于比表面积大的载体上作为化学反应催化剂，不仅仅能够适当的提高催化剂活性，同时还能有效的避免催化剂中毒。炭黑、碳气凝胶、碳纳米管等碳材料由于其优越的性能，均可作为金属纳米材料的载体。例如，Pt/C催化剂是直接甲醇燃料电池工作环境下稳定性较好的电催化剂，然而，采用比表面积大的碳材料作为载体制备的催化剂性能明显优于普通炭黑。

基于金属与碳材料的复合纳米结构可以兼具金属纳米粒子和碳材料两者的优点，已表现出许多优异的性能，而成为纳米材料研究的一个热点领域。因此，开发一种简单、经济、适于大规模生产的金属/碳复合材料对于催化领域的发展具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属纳米颗粒/碳复合材料及其制备方法。

本发明所提供的金属纳米颗粒/碳复合材料是按照包括下述步骤的方法制备得到的：

1)将海藻酸钠溶液滴入高价金属氯络酸溶液中，得到水溶胶；

2)将所述水溶胶静置18-36小时，然后再搅拌18-24小时，最后离心分离得到凝胶；

3)将所述凝胶干燥得到干凝胶；

4)在非氧化性气氛中，以1℃/分钟-10℃/分钟的升温速率，使所述干凝胶从室温加热到350℃-1500℃，并保持1小时-4小时，得到所述金属纳米颗粒/碳纳复合材料。

其中，步骤1)中所述高价金属氯络酸选自下述金属所形成的金属氯络酸中的至少一种：Pt、Ru、Au、Rh、Pd、Ir和Os。具体可为：氯铂酸(H₂PtCl₆)、氯钌酸(H₂RuCl₆)、氯金酸(HAuCl₄)、氯铑酸(H₃RhCl₆)、氯钯酸(H₂PdCl₆)、氯铱酸(H₂IrCl₆)、氯锇酸(H₂OsCl₆)。

步骤3)中所述干燥的方法具体可为：将凝胶在真空干燥箱中于80-120℃干燥20-40小时。

步骤4)中所述非氧化性气氛可由下述至少一种气体提供：氮气、氩气和氦气。

步骤4)中加热的终温度优选为350℃-500℃，具体可为400℃或450℃。

所述方法还包括对步骤4)得到的金属纳米颗粒/碳复合材料用水进行清洗，然后离心除去水并干燥的步骤。

本发明所提供的金属纳米颗粒/碳复合材料可作为诸多化学反应的催化剂，如作为直接甲醇燃料电池的催化剂。其中表面金属纳米颗粒作为主要活性物质，碳材料作为载体增大了金属的催化面积，并且多孔结构作为电子传输通道，从而表现出优异的电催化性能。

与其它现有技术比较，本发明具有以下特点：

1、本发明方法所采用的碳源为海藻酸钠，原料来源广泛，价格便宜，无污染。

2、本发明方法是在同一液相内一步完成的，因而具有简单经济、能耗低、操作方便和便于实现规模化生产的优点。

3、本发明利用海藻酸钠与高价金属离子发生离子交换，反应彻底，产率较高，能大规模合成金属纳米颗粒/碳复合材料，有工业生产的前景。