[发明专利]一种碲基贵金属合金纳米线催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及碲纳米线作为活性模板制备一维碲基贵金属合金纳米线催化剂的方法，和该方法制备的催化剂以及该方法的应用。

背景技术

贵金属是最有效的燃料电池催化剂，但是贵金属是稀有金属，非常有限，因此减少贵金属用量同时能够提高催化活性，是目前研究的热点和挑战。

目前研究最多的是贵金属合金和异质结构催化剂材料，减少贵金属用量降低成本的同时，通过结构、组分种类比例的调节以及应力效应或者配位效应在很大程度上提高了催化剂的活性和稳定性，而且远远优于商业化的PtC催化剂。美国《美国化学会志》（Journal oftheAmerican Chemical Society，2011年133期15354页）报道了采用高温油相合成方法制备了超细FePtPd纳米线合金催化剂，进行甲醇氧化活性的检测，通过调节组分比例，表明不同的Pt、Pd和Fe的比例对催化活性有明显的影响；英国《化学科学》（Chemical Science,2012年3期1925页）报道了采用高温油相方法合成了Pt-Ni枝状合金催化剂，该催化剂具有高密度表面台阶，Ni对Pt的电子结构的修饰和枝状的结构特点，对甲醇催化活性都有一个很明显的改善；美国《纳米快报》（Nano Letter,2009年9期4352页）报道了采用电沉积的方法合成了富Co的PtCo合金纳米线，然后通过刻蚀表面Co，得到多孔的PtCo合金纳米线，随着刻蚀时间的增长，暴露在表面的Pt的比例增多，催化活性也随之提高。另外，Co的存在对Pt电子结构的修饰以及应力效应的存在也是催化活性提高的一个原因。上述报道的纳米线的一维结构也有效的解决了颗粒催化剂溶解、奥斯特瓦熟化和聚集等问题，并提高了催化剂的稳定性。但是，高温油相和电沉积的合成方法产量低，不能满足产业化要求。

德国《先进功能材料》（Advanced Materials，2012年17期2326页）报道了采用模板牺牲法合成PdPt和PdAu合金纳米线催化剂，该方法通过加入过量的Pt和Au或者Pd和Au的混合前驱物溶液与碲线进行置换取代反应，得到PdPt或PdAu合金纳米线，但该方法没有充分利用Te纳米线，同时加入过量的Pt、Pd和Au的前驱物溶液，远超过根据化学摩尔比计算需求的量，造成太多浪费，限制其在燃料电池催化剂领域的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种简单有效合成碲基贵金属合金纳米线催化剂和组分可控的制备方法，以达到降低成本，降低贵金属用量，同时进一步提高催化剂的催化活性和稳定性的目的。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的碲基贵金属合金纳米线催化剂。

本发明的还一目的在于提供上述方法在燃料电池催化剂中的应用。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种制备碲基贵金属合金纳米线催化剂的活性模板方法，包括以下步骤：

（a）按比例将碲纳米线分散在溶剂中，得碲纳米线分散液；然后将贵金属前驱物溶解到溶剂中，配制贵金属前驱物溶液；

（b）在搅拌的条件下，按比例将步骤（a）所得的贵金属前驱物溶液加入到步骤（a）所得的碲纳米线分散液中，得贵金属前驱物溶液和碲纳米线分散液的混合液；

（c）步骤（b）所得的混合液置换反应得碲基贵金属合金纳米线催化剂。

本发明的反应原理如下：

本发明采用的碲纳米线起到了双重作用，在作为模板使得得到的产品保持一维纳米线的同时，也是还原剂。由于碲与贵金属离子间的电位差异，二者能够通过置换反应生成一维碲基贵金属合金纳米线。贵金属前驱物溶液的量直接影响到产品的原子比例和催化性质。贵金属前驱物的溶解方式和反应温度是反应充分完全和得到碲基贵金属合金纳米线的重要因素。本发明还可以通过选择不同的贵金属前驱物，得到不同的组分种类和比例的碲基贵金属合金纳米线催化剂。

优选的，步骤（a）中，所述碲纳米线的分散溶剂和溶解贵金属前驱物的溶剂为乙二醇、乙醇、异丙醇或水一种或几种；更优选的，所述碲纳米线的分散溶剂和溶解贵金属前驱物的溶剂为乙二醇或丙三醇。

优选的，步骤（a）中，所述碲纳米线的摩尔浓度为0.5~10mmol/L；更优选的浓度为1.0~6.0mmol/L。所述贵金属前驱物溶液的浓度为10~40mmol/L；更优选的浓度为15~30mmol/L。