[发明专利]Au@N-CQDs@Pd核壳结构纳米复合材料及其制备和电催化氧化甲醇的应用

说明书

本发明公开了一种绿色合成的Au@N‑CQDs@Pd三层核壳结构的纳米复合材料作为甲醇燃料电池的阳极催化剂，以Au核为中心，N‑CQDs为中间层，Pd为壳层，在不使用表面活性剂的情况下，合成Au@N‑CQDs@Pd三层核壳结构的纳米复合材料，而且实验制备的N‑CQDs既作为还原剂，还用做稳定剂和形貌导向剂。电催化实验结果表明，与不含N‑CQDs的金钯纳米粒子相比，合成的Au@N‑CQDs@Pd在碱性介质中对甲醇氧化具有更高的电催化能力，为制备含N‑CQDs的碱性燃料电池双金属核壳电催化剂提供了一种简单、直接的方法。

技术领域

本发明涉及一种绿色合成Au@N-CQDs@Pd三层核壳结构纳米复合材料方法，主要作为电催化剂用于甲醇的电催化氧化反应，属于复合材料技术领域及电催化技术领域。

背景技术

电动车辆和规模化储能等新能源产业的发展，以及高性能便携式电子设备的进步，迫切需要高效、清洁的电化学储能系统。目前广泛使用的锂离子电池的能量密度已接近理论极限，无法满足对储能系统的迫切要求。直接甲醇燃料电池（direct methanol fuelcell，DMFC）具有能量密度高、携带方便以及环境友好等特点而引起了广泛关注，可作为未来能源储存和转换装置的理想选择。甲醇来源广泛且成本低，制备简单，在研究与开发中取得了很大进步，但至今没有实现商业化，关键问题在于其催化剂催化效率低、成本高，因此高效、低廉新型阳极催化剂的研究成为目前面临的突出问题。

贵金属铂是目前常用的理想催化剂，但是它存在价格高、资源少及易被毒化等缺点，限制了直接甲醇燃料电池的商业化。因此，我们需迫切寻找更理想且成本较低的催化剂。钯基催化剂成本较低且钯储量丰富，成为近几年研究的热点，将钯与金结合，更会大大提高甲醇的催化活性，且可以通过制备不同形貌的金钯双金属核壳来增强催化活性。为了减轻纳米颗粒在制备过程中的团聚现象，需要使用不同的稳定剂对金属纳米颗粒进行包覆，使其在体系中稳定存在。然而，这些包覆剂的存在不仅增加了金属颗粒表面的空间位阻，也使得反应底物难以接近催化剂表面，导致催化活性的降低。因此引入碳材料作为支撑金属纳米颗粒的载体，如碳量子点（CQDs），它是一种新型的零维碳纳米材料，尺寸小于10nm，在荧光传感、生物医学成像、发光二极管和催化领域都表现出潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种Au@N-CQDs@Pd三层核壳结构纳米复合材料及其制备方法；

本发明的另一目的是对Au@N-CQDs@Pd三层核壳结构纳米复合材料的性能及对甲醇的电催化氧化性能进行研究，以期用于甲醇燃料电池的阳极催化剂。

一、Au@N-CQDs@Pd核壳纳米复合材料

本发明Au@N-CQDs@Pd核壳结构纳米复合材料，是以Au核为中心，N-CQDs为中间层，Pd为壳层，结合成的三层核壳结构的纳米复合材料。

Au@N-CQDs@Pd核壳结构纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）N-CQDs的制备：将柠檬酸钠和碳酸氢铵溶于二次蒸馏水中，在160℃~180℃下水热反应3h~4h，自然冷却后将溶液在透析袋中用去离子水透析3天，然后浓缩至5mL，即得N-CQDs溶液。其中，柠檬酸钠和碳酸氢铵的质量比为1:7~1:8；透析是采用8000~14000D的透析袋，透析48h~72h。

（2）Au@N-CQDs的制备：在N-CQDs溶液中加入氯金酸（HAuCl₄），在80℃~100℃下搅拌回流60min~80min，冷却后进行离心水洗，得到Au@N-CQDs。其中，氯金酸与柠檬酸钠的质量比为1:480~1:600。