[发明专利]一种碳纳米管表面负载高分散贵金属及合金纳米粒子方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体涉及一种在碳纳米管表面负载高分散贵金属及合金纳米粒子方法。

背景技术

碳纳米管包括多壁碳纳米管和单壁碳纳米管都是非常重要的碳材料。自1991年被日本科学家Iijima发现以来[IijimaS,Nature354,56(1991)]，引起全球物理、化学及材料等科学界广泛的兴趣。由于碳纳米管具较大的比表面积，高的导电性，优良的化学和电化学稳定性，可调控的纳米管腔结构、大的长径比等优点，因此碳纳米管被广泛应用在储氢材料、场致发射材料、电池材料、增强复合材料、传感器材料、催化剂载体材料等。

碳纳米管具有完美石墨结构，表面原子价键饱和的碳纳米管在化学上是十分稳定的，被认为是性能优良的贵金属催化剂载体。但是也正是由于碳纳米管的这种完美石墨结构，使得碳纳米管具有很强的疏水性，不能被表面张力大于100～200mN/m的液体浸润，大多数贵金属纳米颗粒无法担载到碳纳米管的表面，在超声振荡、搅拌或加热时，贵金属纳米粒子很容易脱落和团聚长大。所以通常在使用碳纳米管前都要先对其表面进行适度的氧化处理，在碳纳米管管壁引入羟基、羧基、醛基等官能团。这些官能团能增加碳纳米管的亲水性并且成为贵金属纳米粒子沉积的活性位，使贵金属纳米粒子可以吸附在碳纳米管表面。这种强酸氧化处理的方法只能在碳纳米管表面的缺陷位引入官能团，所以引入的表面官能团数量有限，分布也不均匀，使得沉积的贵金属纳米粒子在这种强酸氧化处理的碳纳米管表面分散性差，尤其在高负载量的情况下会出现大量的贵金属纳米粒子聚集体，从而影响贵金属催化剂的活性[HsinYL,et.al,J.Am.Chem.Soc.129,9999,(2007)]。此外，强酸氧化处理的方法破坏了碳纳米管的表面结构，进一步降低了碳纳米管的耐蚀性，贵金属纳米粒子会因为碳纳米管在使用过程中的腐蚀而从表面脱落，降低催化剂的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是针对碳纳米管负载的贵金属催化剂存在分散性差，贵金属利用率低的缺点，提供一种在碳纳米管表面负载高分散贵金属及合金纳米粒子方法。所述方法其特征在于通过自由基聚合反应在碳纳米管表面修饰一层咪唑型离子液体聚合物膜可以在碳纳米管表面创造均匀分布的咪唑官能团作为贵金属纳米粒子沉积的活性位，同时避免了碳纳米管结构破坏。通过咪唑官能团与贵金属纳米粒子之间的配位作用实现了贵金属纳米粒子在碳纳米管表面的均匀分散和小颗粒尺寸，从而提高了从而提高贵金属纳米粒子的催化活性和贵金属利用率。本发明方法过程简单，容易控制。本发明通过如下方案实现：

一种在碳纳米管表面负载高分散贵金属及合金纳米粒子方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将碳纳米管加入一定量有机溶剂中；

（2）往步骤（1）所得溶液中添加一定量的咪唑型离子液体单体和偶氮二异丁腈；

（3）将步骤（2）所得溶液在惰性气氛和一定温度下加热一定时间后冷却。

（4）将步骤（3）所得溶液离心分离，使用一定量的有机溶剂洗涤数次后真空干燥。

所述方法中，步骤（1）还对加有碳纳米管的有机溶剂进行超声和搅拌，超声时间为1-300min,搅拌时间为0.5-6h,所述有机溶剂为甲醇或乙醇。

所述方法中，步骤（2）还对加有碳纳米管，咪唑型离子液体单体和偶氮二异丁腈的有机溶剂进行搅拌，搅拌时间为0.5-6h;咪唑型离子液体单体可以为1-乙烯基-3-乙基咪唑溴盐、1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐或1-烯丙基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐，其质量可以为碳纳米管质量的5-800%；偶氮二异丁腈的质量为离子液体单体质量的1-100%。

所述方法中，步骤（3）所使用的惰性气氛可以为氮气或氩气；加热温度为50-140℃；加热时间为2-48h。

所述方法中，其特征在于步骤（4）洗涤所用的有机溶剂可以为甲醇、乙醇或四氢呋喃。

本发明的优点在于咪唑型离子液体聚合能在碳纳米管表面均匀成膜，厚度可控。咪唑官能团能与许多贵金属（如金、铂、钌等）产生强的化学键合力，因而贵金属纳米粒子可以被咪唑官能团均匀地、牢固地锚定在碳纳米管表面，从而很好的解决贵金属纳米粒子在碳纳米管表面分散性差，催化活性低的技术难题。此外利用本发明的技术方案能够实现催化剂的大量制备，这种碳纳米管负载高分散贵金属纳米粒子催化剂在电化学能源转换和催化领域具有广泛的运用。

附图说明

图1为本发明的碳纳米管载铂催化剂的透射电镜图。