[发明专利]一种Pd/TiO2@CNT催化剂及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种催化材料及其制备方法，特别是一种具有高电化学还原特性的Pd/TiO2CNT催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，关于制备高电化学活性和稳定性的催化材料，并将制备的材料运用于电化学检测，燃料电池，污染物的氧化还原的研究，受到了材料和电化学领域的专家们的青睐。特别是优良的电催化材料的制备，更是研究的重点之一。钯纳米材料具有良好的电催化活性，但是纯钯纳米材料容易发生团聚，严重限制了材料的催化能力。为了提高贵金属材料钯的电催化活性和利用率，一般将金属钯纳米材料负载在比表面积较大的材料上，如活性炭、碳纳米管、腐植酸等。

近几年的研究发现，将氧化物作为载体材料（碳纳米管）和催化活性材料（钯纳米颗粒）的中间载体，不仅可以提高材料的电催化活性，使用寿命，还可以增强材料的抗腐蚀能力，降低材料表面活性区域的退化能力。其中，二氧化钛因其具有廉价，易制备，在水体中性质稳定和易于控制其结构和大小等优点，受到更多的重视。但是，由于二氧化钛为半导体材料，一般情况下其导电率较低，简单的将二氧化钛纳米材料混合或者掺杂到催化剂中对催化剂性能改善不明显。因此，我们需要对二氧化钛纳米材料表面进行改性。碳纳米管材料具有独特的管状结构，高的比表面积，良好的电化学稳定性和高的电导率，作为催化剂的载体材料得到广泛应用。如果将改性后的二氧化钛材料与改性后的碳纳米管材料复合在一起形成复合载体材料，再将钯纳米颗粒负载到TiO2CNT复合载体上，可以显著的增强催化剂的电催化能力。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高电催化活性的Pd/TiO₂CNT催化剂及其制备方法。

本发明的Pd/TiO₂CNT催化剂，是以Pd纳米颗粒为催化活性组分，以TiO₂CNT为复合材料的载体的催化剂，其中Pd的质量分数为15～20%，余量为TiO₂和CNT，TiO₂与CNT的质量比为1.5:1～2.0:1。

此外，本发明还提供了制备上述Pd/TiO₂CNT催化剂的方法，包括以下步骤：

1）  将碳纳米管置于浓硫酸和浓硝酸的混合酸中， 80～100 °C恒温超声反应6～8 h，去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，低温干燥，得到功能化的碳纳米管材料；

2）  将二氧化钛粉末置于马弗炉中，于500～700 °C煅烧，待冷却后，分散于0.2～0.6 M的硝酸溶液中，在搅拌条件下，反应1～3 h，去离子水洗涤过滤，至滤液pH值为中性，60～80 °C干燥，得到改性后的二氧化钛材料；

3）  将步骤2）得到的二氧化钛粉末，分散于去离子水中，快速搅拌10～15 min后，再加入步骤1）得到的碳纳米管材料，继续搅拌20～30 min，然后缓慢加入异丙醇，继续搅拌20～40 min，再加入乙二醇，继续搅拌6～8 h，洗涤过滤，至醇类物质完全被洗净为止，干燥，得到TiO₂CNT复合载体材料；

4）  取PdCl₂ 材料8～12 mg 分散于去离子水中，于50°C恒温超声20～30 min，制得均匀的PdCl₂的水溶液；

5）  取步骤3）制得的TiO₂CNT复合载体材料40～60 mg，搅拌分散于去离子水中，持续快速搅拌10～15 min后，逐滴加入步骤4）得到的PdCl₂水溶液，继续搅拌1～2 h后，缓慢加入过量还原剂硼氢化钠，继续搅拌6～8 h后，充分洗涤过滤，烘干，得到Pd/TiO₂CNT。

作为本发明的改进，步骤1）中混合酸中浓硫酸与浓硝酸的体积比最好为3:1。

本发明与现有技术比较具有以下有益效果：

钯纳米材料具有良好的电催化活性，但是纯钯纳米材料易发生团聚，严重限制了材料的催化能力。将二氧化钛作为载体材料（碳纳米管）和催化活性材料（钯纳米颗粒）的中间载体，不仅可以提高材料的电催化活性，使用寿命，还可以增强材料的抗腐蚀能力，降低材料表面活性区域的退化能力。但是，由于二氧化钛是半导体材料，一般情况下其导电率较低，简单的将二氧化钛纳米材料混合或者掺杂到电催化剂中对催化剂性能改善不明显。