[发明专利]一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用，所述非晶Pt纳米催化剂的制备方法包括：在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种非晶Pt纳米催化剂及其制备方法和应用，属于无机纳米材料技术领域。

背景技术

贵金属Pt在电解水产氢(HER)以及燃料电池电极催化等反应中表现出优越的催化活性，然而其高昂的价格和有限的储备使其推广应用较困难，如何有效利用Pt催化剂，充分发挥其催化活性优势尤为重要。非晶Pt是一种亚稳态结构材料，晶格呈现短程有序、长程无序的特点，由于原子间的相互关联作用，使其在小于几个原子间距的小区间内(1-1.5nm)，仍然保持其形貌和组分的物质。非晶Pt材料的特点是其表面含有许多配位高度不饱和的原子，具有高的表面活性中心密度；特别是，非晶态Pt的局部原子结构、氧化状态以及化学组成在静止和催化过程中具有明显的差异，会在催化反应过程中形成活性体，因而表现出明显优于晶态Pt材料的催化活性和选择性。

然而，非晶态Pt的制备方法较为苛刻，传统采用快速凝固技术或近快速凝固技术制备非晶材料，该类方法需要首先将金属或金属前体材料高温熔融然后快速冷却，使金属原子呈现液体状态，来不及排列而呈现混乱状态，形成非晶结构。该制备方法，对仪器要求较高，实验条件苛刻。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种温和条件下制备非晶Pt纳米催化剂的方法，在Pt离子前驱体水溶液中加入含碳有机物，在25～40℃下反应10～16小时，使得Pt离子前驱体中Pt离子被还原的同时形成非晶态结构，得到非晶Pt纳米催化剂；所述含碳有机物选自吡咯、聚吡咯中的至少一种。

在本公开中，在Pt离子前驱体水溶液中加入具有还原性的含碳有机物(如吡咯、聚吡咯等)，同时通过含碳有机物与Pt的络合作用，形成Pt结晶过程中的能垒障碍，从而使得Pt在25～40℃下被还原的同时形成非晶状态，得到非晶Pt纳米催化剂材料。该方法中，含碳有机物(例如，吡咯、聚吡)咯具有还原性，同时易聚合生成碳基体或本身作为导电碳基体；当加入Pt离子前驱液中时，Pt基离子被含碳有机物如吡咯、聚吡咯中的N官能团捕获并被还原，同时吡咯单体聚合生成聚吡咯有机大分子的形成成为Pt晶粒长大的空间障碍，增大了Pt物种结晶长大的势垒，使得Pt以原子簇的形式分散在聚吡咯碳基体上，形成非晶Pt的原子簇。

较佳的，所述Pt离子前驱体选自氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾和氯铂酸钠中的至少一种。

较佳的，所述Pt离子前驱体和含碳有机物(吡咯、聚吡咯)的用量摩尔比为1:3～1:9。

较佳的，所述Pt离子前驱体水溶液的制备方法包括：将1～10ml质量浓度为1～5wt％的Pt离子前驱体水溶液溶于20～80ml的水中进行稀释后得到。

较佳的，在反应过程中，进行磁力搅拌；所述磁力搅拌的转速为300～500转/分钟。

另一方面，本发明提供了一种根据上述的制备方法制备的非晶Pt纳米催化剂，所述非晶Pt纳米催化剂为非晶状态，形貌为颗粒片状，颗粒尺寸为20～100nm。

再一方面，本发明提供了一种上述非晶Pt纳米催化剂在电解水产氢中的应用。

该非晶Pt纳米催化剂(非晶态的Pt纳米材料、或非晶Pt)，因其局部原子结构和化学组成在静止和HER催化过程中具有明显的差异，会在HER催化反应过程中形成活性体，表现出明显优于晶态Pt材料的HER催化活性和稳定性。同时，该非晶态Pt表面含有许多配位高度不饱和的原子，具有高的表面活性中心密度，在低使用量时表现出优良的HER电催化活性和稳定性，降低催化剂成本，具有较高的经济效益。

有益效果：