[发明专利]一种十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了一种十字架立方体Pt‑Cu‑Mn合金纳米颗粒的制备方法。本发明以氯铂酸、氯化铜和氯化锰为原料，以NaI为结构导向剂，采用特定的甘氨酸和乙醇胺加入量，微波辅助合成出一种选择性较高的十字架立方体Pt‑Cu‑Mn合金纳米粒子。制备方法简单、绿色清洁、可重复性强。获得的十字架立方体Pt‑Cu‑Mn合金纳米粒子台阶原子多，活性位密度高，显示出色的甲醇和甲酸电化学活性，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于功能纳米材料技术领域。具体的说，本发明是采用微波合成法制备一种十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米粒子。

背景技术

贵金属Pt被认为在单金属催化剂中在低温下在酸性环境中对电催化氧还原和醇氧化表现出最高的电催化活性。然而，Pt的电催化性能仍然不足以使质子交换膜燃料电池商业化。迄今为止，通过合金化策略取得了最为成功的结果。它对贵金属材料的电催化性能有四个主要影响，包括应变效应，电子效应，集合效应和双功能效应。高指数晶面上存在有比低指数晶面更高密度的扭结位原子以及台阶位原子等，大量研究表明暴露有高指数晶面的贵金属纳米晶因为这些低配位数的原子存在而表现出更为优越的物理化学性能景。近年来，研究人员做了大量的工作关于高指数晶面纳米晶的制备及催化性能研究并取得了一定进展。同时通过与其他过渡金属（Ni，Co，Cu，Fe等）复合，构筑多金属Pt基纳米晶已经被证实是提高Pt基催化剂催化性能的有效方法。

将Pt与廉价的过渡金属（Cu，Fe，Co，Ni等）结合形成合金不仅降低了 Pt的负载量，从而降低了催化剂的成本，而且由于可能的协同效应，还可以改善催化性能。目前有很多种方法制备PtM（M=Fe、Cu、Mn、Ni等）合金纳米粒子，例如曹等人采用一锅法制备了碳载Pt-Cu纳米粒子（ACS Appl. Mater. Interfaces 2016,8,9, 5998-6003.）。这些方法都是以有机溶剂作为形貌控制剂，合成出来的合金纳米粒子大多数被有机物包裹，无法充分体现出PtCu合金的活性。因此设计合成活性优良的多元合金纳米粒子具有重要的意义。本发明开发的一种制备十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米粒子的方法，操作简单，无毒无害，可重复强，并提高了Pt的利用率，大大提高了催化剂的抗中毒能力，增加了Pt-Cu-Mn合金的稳定性。

质子交换膜燃料电池是一种非常有前景的将化学能转化成电能转换装置。由于其能量转换效率高，环境友好，在较低温度条件下便可实现以高效、清洁的将燃料中的化学能转化为电能，因此提供一种十分清洁的能源转化技术，是当前人们重点研究的方向之一。但是，到目前为止其工业化的应用难以实现，Pt催化剂价格昂贵，导致催化剂成本高。此外，催化剂中Pt易在反应过程中造成CO中毒，严重的降低了催化剂的活性和稳定性，极大限制了质子交换膜燃料电池的广泛应用。如何提高燃料电池中Pt的利用效率及其催化活性是当前催化、化学及材料科学等领域研究的热点之一。

发明内容

针对上述技术问题，本发明解决了目前Pt催化剂存在的价格昂贵及易中毒等技术问题，制备一种十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米粒子，提高Pt纳米结构催化剂的性能。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米粒子制备方法的实验步骤如下：

称取300 mg甘氨酸，200 mg聚乙烯吡咯烷酮，600 mgNaI于烧杯中，接着加入2.0 mL氯铂酸（19.3 mmol/L）、1.0 mL氯化铜（20 mmol/L）、1.0 mL氯化锰（20 mmol/L）水溶液和1.0ml乙醇胺溶液，用磁力搅拌器充分搅拌溶解，然后转入微波反应釜中，微波200 ℃反应40min，反应结束后经过乙醇离心洗涤、冷冻干燥等处理步骤，得到十字架立方体Pt-Cu-Mn合金纳米粒子。

优选的，卤化钠的种类为NaI。

优选的，使用微波反应合成，合成温度为180-220 ℃，更优选为200 ℃。