[发明专利]一种铜铂超晶格合金纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金纳米管制备技术领域，具体涉及一种高长径比铜铂超晶格合金纳米管及简单可大量制备的方法。

背景技术

具有超晶格结构的合金纳米粒子不仅具有合金的性质，而且还展现出特殊的物理化学性质，因而近年来逐渐成为纳米化学、能源及环境等研究领域的热点。它们在高效电催化材料、磁性记录材料、抗菌材料、润滑材料、光吸收材料、传感器、导电浆料、新能源电极材料等领域都具有广阔的应用前景，目前超晶格合金纳米粒子越来越受到人们的重视。

直接甲醇燃料电池作为一种新型的燃料电池，具有低温启动快、易携带、适用范围广等许多优势，受到人们的广泛关注。开发性能高、成本低的催化剂是该领域的研究重点之一。

铂是一种甲醇氧化的高效催化剂，但单一的铂作为催化剂时由于成本较高并且容易在反应过程中发生一氧化碳毒化作用使其催化性能下降，因此阻碍了其作为甲醇燃料电池阳极催化剂的使用。而通过使铂与其它金属形成合金的方式一方面可以降低成本，同时又可以提高其催化甲醇氧化性能和抗一氧化碳中毒能力。

铜纳米粒子由于其本身具有一些独特的属性，是高导电率、高强度的纳米材料不可或缺的基础材料，在导电和电催化领域中用于导电胶、导电涂料和电极材料的制造等。由于铜粉的价格比贵金属银粉、钯粉低廉得多，因而越来越受到人们的重视。因此将铂、铜作为一种新型高效的合金催化剂应用于直接甲醇燃料电池具有潜在的应用价值。

目前常用的制备合金纳米电催化材料的方法有化学还原法、电化学法、熔融雾化法、置换反应法等。其中置换反应法的工艺与设备简单、速度快、成本低廉，适用于强还原性金属与强氧化性金属盐之间进行反应制备得到双金属或合金纳米材料。

发明内容

本发明提供一种高长径比铜铂超晶格合金纳米管及简单可大量制备的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现，制备得到一维铜铂超晶格合金纳米管。

一种铜铂超晶格合金纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用化学还原法制备铜纳米线：配制浓度为10～15mol/L的氢氧化钠溶液作为pH调节剂，然后在搅拌下加入浓度为0.1～0.2mol/L的硝酸铜溶液作为前躯体盐水溶液，维持溶液中OH^-浓度在10～15mol/L保证铜离子以(Cu(OH)₄)^2-的形式存在，最后加入无水乙二胺作为形貌控制剂和质量分数为85％的水合肼溶液作为还原剂，无水乙二胺的用量为每300mL氢氧化钠溶液对应2-4mL无水乙二胺，水合肼溶液的用量为每300mL氢氧化钠溶液对应0.5-2mL的水合肼溶液，在60～90℃的水浴中反应0.5～1.0小时，得到紫红色产物，用经过通氮气除氧的去离子水过滤洗涤后，真空干燥，得到铜纳米线；

(2)将铜纳米线作为牺牲模板用0.1mol/L稀盐酸预处理，用经过通氮气除氧的去离子水冲洗，最后放入真空干燥箱中干燥；然后将其分散在通氮气除氧的去离子水中，超声分散形成均匀的浆液使铜在其中的含量为0.6～0.7g/L。然后在磁力搅拌下，往浆液中加入氯铂酸溶液，使氯铂酸和铜的摩尔比为1∶5或1∶3，反应20～60分钟，铜纳米线与氯铂酸充分反应后将所得的固体产物进行过滤洗涤，最后真空干燥得到产物。

氯铂酸水溶液的浓度控制在1～10mmol/L。

按照上述方法制备的一种铜铂超晶格合金纳米管，其特征在于，该铜铂超晶格合金纳米管为一种空心纳米管结构，长度为3～5μm，外径为80～150nm，合金管壁由粒径在20纳米以下的合金立方体小粒子组成。

通过控制氯铂酸和铜的摩尔比，得到不同合金成分比的铜铂超晶格合金纳米管。通过控制氯铂酸和铜的摩尔比在1∶5和1∶3分别得到Cu₃Pt和CuPt超晶格合金纳米管，而在上述步骤中控制氯铂酸和铜的摩尔比为其他任意值时，可得到不同成分的铜铂固溶体合金纳米管。

本发明的优点是通过简单快速的方法大量制备出具有特定晶格结构的铜铂合金纳米管或普通的铜铂合金纳米管。本发明的合金纳米管长径比为30左右，厚度约为20纳米左右，本发明制备方法还具有条件简单，反应快速，产物转化率高的特点。制备得到的铜铂合金纳米管在直接甲醇燃料电池中作为电催化甲醇氧化及氧气还原反应电催化剂方面具有潜在的应用价值。

本发明采用置换反应法制备高长径比CuPt超晶格合金纳米管电催化材料。本发明的目的是制备铜铂合金超晶格结构，以降低单一的Pt作为直接甲醇燃料电池催化剂的成本，同时提高其对甲醇电催化氧化的性能。

附图说明