[发明专利]一种亚纳米尺寸铂-金合金助催化剂、制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种具有光分解水制氢性能的亚纳米尺寸铂‑金合金助催化剂、制备方法及其应用。本发明首先通过经典水热法来制备主催化剂锐钛矿型二氧化钛纳米片，然后通过高分子配体辅助担载方法制备亚纳米尺寸铂‑金合金助催化剂担载二氧化钛光催化剂。其产氢效率为80.1μmol h^‑1，分别是铂助催化剂和金助催化剂担载光催化剂的2倍和60倍。该方法制得的铂‑金合金团簇粒径小于1纳米，与单金属纳米团簇颗粒相比，具有合金特征的双金属亚纳米尺寸颗粒具有更佳的可调性和协同效应。

技术领域

本发明涉及具有亚纳米尺寸的铂-金合金纳米材料，该材料采用高分子配体辅助担载方法制备而成，所述产物是亚纳米金颗粒与铂颗粒构建的团聚体，其尺寸小于1nm。在二氧化钛表面作为助催化剂来提供水分解产氢的活性位点，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在应用性能。

背景技术

随着时代进步与科技发展，能源已经成为影响人类社会的一个重要因素。目前，煤炭、石油、天然气等传统能源在世界的经济发展中依然占有举足轻重的作用，但是这些资源在地球上的储量却很有限，能源危机已经成为当前人类亟待解决的问题。氢气正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。纳米二氧化钛是一种非常有效的光催化剂，但也存在着表面缺少反应位点、光分解水催化性能低等缺点。截止目前，贵金属助催化剂可与大部分的半导体光解水材料结合以实现光解水产氢产氧反应。这其中，铂纳米颗粒因其可高效、稳定的催化水解产氢过程，一直被研究人员广泛用于各类半导体补光材料表面作为产氢助催化剂。但因其对氢气分子强吸附作用以及活化能力，使其同时会催化氢气的氧化过程。与单金属纳米颗粒相比，具有合金特征的核－壳或亚簇结构的双金属纳米颗粒具有更佳的可调性和协同效应。双金属助催化剂可以修饰主催化剂的电子和价带结构，目前这方面已有较多文献报道，如铂-银、铂-铜、铂-钯和铂-金等助催化剂。然而，它们的活性仍较低，这是由于所合成的合金助催化剂的粒径仍较大(大于2纳米)。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种亚纳米尺寸铂-金合金助催化剂担载二氧化钛光催化剂的制备方法和应用，制备方法简单，成本低。所制备的纳米材料具有优异的光催化析氢性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有光分解水制氢性能的铂-金合金助催化剂，所述催化剂是由亚纳米级金颗粒与铂颗粒构建的团聚体，其尺寸小于1nm。

一种亚纳米尺寸铂-金合金助催化剂制备方法，具体步骤可分三大步：第一步为主催化剂二氧化钛纳米片材料的制备。第二步为高分子配体聚甲基丙烯酸甲酯的制备。第三步为铂-金/二氧化钛光催化剂的制备。

包括如下步骤：

(1)通过经典水热法制备锐钛矿型二氧化钛纳米片，将5ml钛酸四丁酯和0.8ml氢氟酸溶液放到50ml的聚四氟乙烯的反应釜中，混合均匀后，将反应釜放入烘箱内，在180℃下反应24h。反应后，将产物依次使用0.1mol/l氢氧化钠水溶液、去离子水、无水乙醇清洗数次，然后在60℃条件下干燥后取出备用。

(2)通过经典水浴法来制备聚甲基丙烯酸高分子配体。将50mmol甲基丙烯酸单体、5mmol链转移剂、0.50mmol偶氮二异丁腈放入含有30ml无水乙醇溶液的三口玻璃烧瓶内，水浴加热至75℃条件下冷凝回流5h，期间用氮气保护并持续搅拌。反应后的液体使用100ml冷无水乙醚析出产物，并使用布式漏斗收集固体产物，然后在45摄氏度条件下真空干燥24h后取出备用。