[发明专利]一种Pt基金属纳米簇-金属氧化物纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Pt基金属纳米簇‑金属氧化物纳米复合材料及其制备方法与应用。该纳米复合材料由金属氧化物粒子及其负载的Pt基金属纳米簇构成，其中Pt的质量百分含量为27％～70％；所述Pt基金属纳米簇为Pt金属纳米簇或Pt合金纳米簇，其数均粒径为1.3～6纳米；所述金属氧化物粒子的数均粒径为10～200纳米。通过本发明方法制备的Pt基金属纳米簇‑金属氧化物纳米复合材料具有金属及合金纳米簇尺寸小、粒径分布窄、在金属氧化物表面分散均匀且含量高、导电性好的特征，燃料电池氧还原反应具有优异的催化性能和突出的稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料领域和燃料电池领域，特别涉及一种Pt基金属纳米簇-金属氧化物纳米复合材料及其制备方法，以及该纳米复合材料在催化燃料电池反应方面的应用。

背景技术

金属纳米簇是粒子尺寸小、粒径分布窄的金属纳米粒子，由单一金属或多金属构成的金属纳米簇在催化、传感、磁性材料等领域具有重要的应用价值。本发明人曾发明了一类“非保护型”金属纳米簇及其制备方法。这种金属纳米簇仅以简单离子和小分子有机溶剂作为金属纳米簇的稳定剂，尺寸小、粒径分布窄、可大批量制备，且可以通过与酸性水溶液混合、加热等方法，方便地将其沉积于载体表面，以制备纳米复合材料(王远等，中国发明专利，ZL99100052.8；Chem.Mater.2000,12,1622-1627；Top.Catal.2005,35,35-41)。此类金属纳米簇已被广泛应用于制备催化剂，并在尺寸控制、载体-金属相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。

燃料电池催化剂制备中通常使用导电性好、比表面积大的碳基材料作为载体，以获得导电性优良的催化剂。但在燃料电池工作条件下，碳基材料不可避免会发生氧化腐蚀，导致其表面负载的金属纳米簇团聚或脱落，降低这类碳负载金属纳米簇催化剂的寿命。目前已商品化的碳负载铂纳米簇催化剂(Pt/C)的稳定性还有待进一步提高。因此，开发新型的燃料电池催化剂，提高催化剂的耐腐蚀性和稳定性，是一个具有挑战性的课题。

金属氧化物具有化学和电化学稳定性高、与金属纳米簇间的相互作用强等特点，在燃料电池工作条件下有较强的抗腐蚀、抗氧化能力。以金属氧化物为燃料电池催化剂载体，可以减少负载的金属纳米簇团聚或脱落，从而提高燃料电池催化剂的寿命。此外，燃料电池催化剂，特别是阴极催化剂通常需要较高的贵金属含量以减少内阻和浓差极化。金属氧化物的密度较高，是碳基材料密度的2-20倍，以金属氧化物为载体，在同等贵金属含量下可以减小燃料电池催化层的厚度，从而降低燃料电池的欧姆极化和浓差极化，提高燃料电池的能量转换效率。

将金属纳米簇负载在金属氧化物上的方法有沉积、浸渍、配位俘获、包埋等。这些负载方法操作简单，但普遍存在一些问题亟待解决。首先，金属氧化物的导电性通常较差，采用以往方法制备的氧化物负载金属纳米簇材料的电阻较大，无法满足燃料电池催化剂的要求。其次，金属氧化物的比表面积通常较小，金属纳米簇在高载量下难以实现高度分散，这使得以往报导的氧化物负载金属纳米簇材料中贵金属含量普遍较低(通常不超过20wt％)。若按以往方法制备高载量催化剂(28-60％)，易使沉积到氧化物表面的金属纳米簇聚集严重，导致贵金属利用率较低、催化性能较差等问题。

综上所述，如何使金属纳米簇在金属氧化物表面分散均匀，获得金属纳米簇含量高、导电性好且有高催化活性和稳定性的纳米复合材料，是发展高性能燃料电池催化剂需要解决的一个关键问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种金属及合金纳米簇含量高，导电性好，金属及合金纳米簇尺寸小、粒径分布窄，在金属氧化物表面分散均匀的Pt基金属纳米簇-金属氧化物纳米复合材料及其制备方法，以及其在催化燃料电池反应方面的应用。

本发明的技术方案如下：