[发明专利]一种电泳沉积法制备金属纳米颗粒多层膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属纳米颗粒多层膜的制备方法，属于电催化剂材料制作领域，特别是氧还原催化剂的制作及其电化学应用领域。

背景技术

电泳沉积（Electrophoretic deposition,EPD）是一种材料制备的电化学方法，是悬浮液中荷电的固体微粒在电场作用下发生定向移动并在电极表面形成沉积层的过程，应用十分广泛。相比其他制备方法，如气相沉积和其他电化学沉积等，EPD可以实现准分子水平上材料微观结构的均匀分布。EPD装置简单，成本效率高，适合于各种性质的材料和尺寸的样品。它不仅可以对各种外形和复杂多孔的结构进行涂敷，还可以用于纳米器件的连接与组装。

19世纪初，俄国科学家Ruess发现了电泳现象，并于1933年将其应用于Pt电极上ThO₂的沉积。20世纪90年代之前，EPD主要用于珐琅和瓷器等传统陶瓷的生产中。随着新型材料的不断涌现，特别是纳米材料的制备与研究，作为材料制备的基本方法EPD有了长足的发展。不仅其机制与应用研究日益深入，还发展出现了一些新技术，例如电泳共沉积，溶胶-凝胶电泳，交流电泳，介电泳，等等。

EPD实验装置是一个两电极的电化学系统。沉积过程可以分为两个阶段。首先，在外加电场下带电粒子向其电性相反电极移动，这一过程叫做电泳过程。然后粒子在电极表面沉积，形成均匀致密的薄膜。这一过程称为沉积过程。任何可以制成细小微粒（粒径<~30μm）或溶胶的固体材料，都可以进行电泳沉积。

功能薄膜材料，以其独特的声、光、热、电、磁等物理特性和化学、生物以及适当的力学等特性，在相应的工程和技术中起关键作用。EPD是制备功能薄膜材料的重要手段。

发明内容

本发明的目的在于建立一种电泳沉积法制备金属纳米颗粒多层膜的方法，并将其应用于燃料电池。该方法得到的多层膜，具有较高的电催化活性。

本发明采取的技术方案为：

一种电泳沉积法制备金属纳米颗粒多层膜的方法，包括步骤如下：

（1）制备金属纳米胶粒：用H₂PtCl₆·6H₂O作前躯体，乙醇作溶剂，加入PVP，加热回流3h得到稳定的Pt纳米胶体；用Co(NO₃)₂·6H₂O作前躯体，加入还原剂和PVP，搅拌，得到Co纳米胶体；

（2）将上述含有单一金属的纳米胶体置于电泳装置中，调节两电极之间的间距在1-10mm、外加电压在1-10V，沉积时间1-120min，得到单金属单层膜；或将上述不同金属的纳米胶体混合置于电泳装置中，调节两电极之间的距离在1-10mm、外加电压1-10V，沉积时间1-120min，沉积一次得到混合金属单层膜；

（3）改变单金属单层膜所在电泳装置的沉积时间、外间电压、电极间距中的一个参数，多次沉积制得单金属多层膜；

或者改变混合金属单层膜所在电泳装置的沉积时间、外间电压、电极间距中的一个参数，多次沉积制得混合金属多层膜；

或者在单金属单层膜所在电泳装置中换入另一种金属的纳米胶体，进行交替沉积制得多金属多层膜。

将得到的多层膜用H₂SO₄与H₂O₂的混合酸处理一定时间后，晾干后，用原子力显微镜进行表征，并进行电化学测试。H₂SO₄与H₂O₂的体积比是10：1，处理时间为30min。

上述制备方法中，步骤（1）所述的还原剂为NaBH₄，溶液H₂PtCl₆·6H₂O的浓度为0.5mM，Co(NO₃)₂·6H₂O的浓度为2mM，PVP的质量浓度为1-5mg/ml。

步骤（2）中任意两种不同纳米金属混合胶体的浓度比例为1：1～10。

步骤（3）中沉积时间通过控制外加电压的时间的长短来改变，外加时间从1min逐渐增加到120min；或者在1-10V内变化改变外加电压；或者在1-10mm内改变电极间距。

本发明方法制得的纳米金属多层膜具有良好的电催化活性。合成的多层膜在燃料电池等领域具有很大的潜在应用价值及巨大的市场效益。该方法得到的均匀、多孔的金属膜，具有较大的活性面积，可以得到较高的氧还原活性。