纳米复合催化剂及其制备方法与应用_3

文档序号:9556461阅读:来源:国知局
气气氛下,将混合物在马弗炉中加热至613K,保温比后冷却至室温,得到Η聚氯胺缩聚 物修饰的碳材料MDC1-1,元素分析表明MDC1-1中氮含量为4. 4%。邸Τ比表面积测试表明 MDC1-1的比表面积为100m2/g。
[0096] 附图1中对比了原料Η聚氯胺Melamine(a)、对比例1制备的Η聚氯胺缩聚物 MD-1 (b)和Η聚氯胺缩聚物修饰的碳材料MDCl-1 (c)的Nls XI^谱。Η聚氯胺XI^谱中,Nls电子结合能主要分布于396. 5-401eV范围,为骨架N(-C = N-C)和末端胺基(-畑2) 含氮物种的信号;而MD-1和MDC1-1的Nls电子结合能主要分布于396-402eV范围。和 MD-1相比,MDC1-1XPS谱在399. 8eV处有一肩峰,其结合能较MD-1中末端胺基的结合能高 0. 6eV,与醜胺键中Nls结合能一致,表明MDC1-1合成中形成的中间产物MD-1的末端胺基 和化lean XC-72R表面的駿基发生了缩合反应,形成醜胺键。
[0097] 将31.Img六水合氯笛酸和26. 5mg水合醋酸铜化(邸3〔00)2· &0溶解于50ml己 二醇中,用化0H的己二醇溶液化25mol/L)将上述溶液的抑值调节到10,将所得混合液在 揽拌下加入到分散有86. 5mgMDC1-1的80ml己二醇中,在室温下继续揽拌5分钟,将所得 反应物在氮气气氛下,于573K加热回流4小时后冷却至室温。将混合物过滤,用水和己醇 洗涂固体沉淀物。将所得固体沉淀物在343K下真空干燥地,即制得Pt-化合金纳米簇复合 物催化剂Pt-Cu/MDCl-1。
[0098] 附图2a为Pt-Cu/MDCl-1催化剂的X射线衍射谱,其中42.Γ,48. 5° ,71.8°和 86. 9°的信号归属于催化剂中面必立方结构Pt/化合金纳米粒子(Pt/化原子比为29:71) 的(111),(200),(220)和(311)晶面对应的衍射峰。谱图中没有单质Pt和化的信号,表 明合金化完全。
[0099] 图2b为Pt-化/MDC1-1催化剂NlsXPS谱,其Nls电子结合能主要分布于397~ 402eV范围。
[0100]Pt-化/MDC1-1催化剂的透射电镜灯EM)照片如图3所示。在Pt-化/MDC1-1催化 剂中,金属纳米粒子很好地分散于载体上,其平均粒径为3. 8纳米,粒径分布为1. 5-8. 5纳 米。电感禪合等离子体发射光谱(ICP-AE巧巧IJ试分析表明,Pt和化金属总量为16wt%,Pt 含量为9.Iwt%。
[010。 催化电极的制备;称取所制备的Pt-化/MDC1-1催化剂粉末lOmg,于5mL无水己醇 中超声处理,向上述分散体系中加入100μLNafioiT液溶液,继续超声处理20分钟。用移 液枪吸取20μL催化剂的悬浊液滴加到玻碳电极表面,室温下在笠气中干燥0. 5小时,再在 393Κ下真空干燥1小时,即制得Pt-化/MDC1-1催化电极。将该电极置于高氯酸(0. 1Μ)中, 于0.05-1. 2V(vsR肥)电势区间进行循环伏安扫描活化处理。
[0102] 在氧气饱和的高氯酸溶液(0. 1M)中测得,经上述活化处理后的催化剂催化氧 还原反应的质量活性较商购Pt/C-JM(购自化hnsonMatthey公司,笛含量;9. 4wt% ) 催化剂在相同条件下的质量活性高4倍(表一,图4)。表一中,动力学电流值依据 Koutecky-Levich公式计算,0. 9V数据取自氧还原极化曲线。
[0103] 表一、Pt-化/MDC1-1和商购Pt/C-JM催化剂对氧还原反应的催化活性对比
[0104]
[010引测试条件;温度;303Κ,氧气饱和的高氯酸溶液(0.IM),扫描速度;5mV/s。
[0106] 实施例2、制备金属含量为41wt%的Pt-化合金纳米簇复合物催化剂Pt-化/ MDC1-2
[0107](方法一)
[010引按实施例1所述方法制备Η聚氯胺缩聚物修饰的碳材料MDC1-1。
[0109] 将Ig六水合氯笛酸溶解于50mL己二醇中备用。于313Κ在揽拌条件下,将7. 6mL 六水合氯笛酸化31mmol)己二醇溶液加入溶有150mg-水合醋酸铜的己二醇溶液(227mL) 中,化OH的己二醇溶液化25mol/L)调节上述溶液的抑至10,揽拌30分钟。将上述混合 液滴加至分散有MDC1-1 (350mg)的324mL己二醇溶液中,在氮气气氛下,于47化加热回流 4小时后冷却至室温,过滤、洗涂,于343K真空干燥5小时。取上述固体产物350mg,分散于 324血己二醇中,在揽拌下,加入12. 93血所配置的氯笛酸己二醇溶液,制备悬浊液A。将 242.Img-水合醋酸铜溶于365mL己二醇溶液中,制备溶液B,将B加入A,向所得混合物中 滴加化0H的己二醇溶液化25mol/L),调节抑至9,在氮气气氛下,于47化加热回流4小时 后冷却至室温。将混合物过滤,用水和己醇洗涂固体产物。将所得固体产物在343K下真空 干燥4小时,即制得所述含Pt-化合金纳米簇的复合物催化剂Pt-化/MDC1-2。ICP-AES分 析表明,Pt-化/MDC1-2中Pt/化原子比为31:69,Pt金属载量为24.Iwt%,平均粒径为3. 1 纳米。
[0110] 实施例3、制备金属含量为27. 8wt%的Pt-化合金纳米簇复合物催化剂Pt-化/ MDC1-3
[011。 将实施例2所制备Pt-化/MDC1-2催化剂巧Omg)超声分散在1M的硝酸(20mL)中, 在298K揽拌20小时后,离必分离并用水洗涂沉淀W除去残留的酸,所得固体产物于298K真空干燥3小时,制得Pt-化合金纳米簇复合物催化剂Pt-化/MDC1-3。ICP-AES分析表明, Pt-Cu/MDCl-3 中Pt/Cu原子比为 72:28,Pt金属载量为 24. 7wt%。
[0112] Pt化/MDC1-3催化剂的TEM照片如附图5所示。在Pt-化/MDC1-3中,金属纳米粒 子的平均粒径为2. 1纳米,粒径分布为1. 5-3. 5纳米。
[0113] 按实施例1中所述表征方法测试实施例3所制备的Pt-化/MDC1-3催化剂和商购 Pt/C-JM催化剂(笛含量;52wt%)对氧还原反应的电催化活性,结果如附图6所示,Pt-化/ MDC1-3催化氧还原反应的质量活性(0. 95VVS.RHE处的动力学电流值)为374A/评t,远高 于商购Pt/C-JM催化剂(46A/评t)。
[0114] 实施例4、制备金属含量为28. 9wt%Pt-化合金纳米簇复合物催化剂Pt-化/ MDCl-4(方法一)
[0115] 将实施例2所得Pt-化/MDC1-2催化剂巧Omg)超声分散在0. 75M的硝酸(18mL)、 0. 1M硫酸(1血)、0. 03M盐酸(1血)的混合溶液中,升温至300K,揽拌4小时,冷却至室温后, 离必分离并用水洗涂沉淀W除去残留的酸,所得固体产物于333K真空干燥10小时,制得 Pt-化合金纳米簇复合物催化剂Pt-化/MDC1-4。ICP-AES分析表明,Pt-化/MDC1-4中Pt/ 化原子比为70:30,Pt金属载量为25. 4wt%。TEM分析表明,Pt化/MDC1-4中金属纳米粒子 的平均粒径为2. 1纳米,粒径分布为1. 5-3. 5纳米。
[0116] 实施例5、制备贵金属含量为30wt%的PtRu合金纳米簇复合物催化剂PtRu/ MDC1-5 (方法一)
[0117] 将lOmgΗ聚氯胺溶解于80mL己醇中,制成Η聚氯胺溶液。将直流电弧合成的氮 杂化纳米角-石墨复合碳材料(400mg,比表面积为680m7g,按中国发明专利申请(申请 号:2012062500461210)所述方法制备)加入上述Η聚氯胺溶液中,超声处理20分钟,于 353Κ加热蒸去溶剂,得到Η聚氯胺-氮杂化纳米角-石墨碳混合物。在氮气和氧气的混合 气氛(氮气;氧气分压比为4 ;1)下,将混合物在管式炉中加热至623Κ,保温1. 5小时后冷 却至室温,得到Η聚氯胺缩聚物修饰的碳材料(MDC1-5),元素分析表明MDC1-5中氮含量为 1.8%,其比表面积为540m2/g。
[0118] 将1. 036g六水合氯笛酸和0. 415gΗ氯化钉溶解于50ml己二醇中,取50ml化OH 的己二醇溶液(l.Omol/L)在剧烈揽拌下加入到其中,在室温下继续揽拌5分钟,将所得反 应物在453K回流3小时制得Pt-Ru合金纳米簇胶体溶液,冷却至室温备用,其中金属(Pt、 Ru)的浓度为5. 92g/L。
[0119] 将MDCl-5(35mg)加入150ml丙丽溶剂中,超声处理30分钟(频率59曲Z),将 4. 05ml的金属Pt-Ru胶体溶液在快速揽拌下滴加到上述悬浊液中,将上述混合液继续超声 30分钟后,继续揽拌36小时,过滤,将所得沉淀物置于真空干燥箱中,于300K下干燥。将得 到的黑色粉末在管式炉中,于氮气气氛下,加热至523K,保温1小时,冷却至室温后用去离 子水洗涂沉淀至无C1离子检出,将沉淀在真空干燥箱中于313K干燥过夜,制得贵金属含 量为30wt%的PtRu合金纳米簇复合物催化剂PtRu/MDCl-4。ICP-AES测试分析表明,PtRu/ MDC1-5中Pt/Ru的原子比为1:1。TEM分析表明,PtRu/MDCl-5中PtRu纳米粒子的平均粒 径为1. 9纳米,粒径分布为0. 5-5. 5纳米。
[0120] 按实施例1所述方法制备催化电极,于333K,氮气饱和的含1M甲醇的硫酸溶液 (0. 5M)中,PtRu/MDCl-5催化甲醇氧化反应的质量活性(0. 55VVS.R肥,335mA/m评tRu)是 商用PtRu/C-JM(PtRu含量 30wt% )催化剂(128mA/m评tRu)的 2. 6 倍,表明PtRu/MDCl-5 催化剂对甲醇氧化反应具有很高的催化活性。
[0121] 实施例6、制备金属含量为3wt%Ru金属纳米簇复合物催化剂Ru/MDCl-6(方法 一)
[0122] 将lOmgΗ聚氯胺溶解于lOOmL丙丽溶液中,制成Η聚氯胺溶液。将导电炭黑(商 购KetjenBlack,0. 4g,比表面积950mVg)加入上述Η聚氯胺溶液中,超声处理20分钟,于 6(TC加热蒸去溶剂,得到Η聚氯胺-KetjenBlack碳材料)混合物。在氮气气氛下,将混 合物在马弗炉中加热至773K,保温20分钟后冷却至室温,得到Η聚氯胺缩聚物修饰的碳材 料MDC1-6,元素分析表明MDC1-6中氮含量为0. 5wt%,其比表面积为850m7g。
[0123] 将Ig水合Η氯化钉溶解于50ml己二醇中,取50ml化OH的己二醇溶液(0. 5mol/ L)在剧烈揽拌下加入Η氯化钉的己二醇溶液中,在室温下继续揽拌5分钟,将所得反应物 在氮气流通过的条件下,于453Κ回流3小时制得钉金属纳米簇胶体溶液,冷却至室温备用, 其中金属Ru的浓度为3. 86g/L。
[0124] 将MDC1-6巧Omg)加入150ml丙丽中,超声处理30分钟,将0. 75ml的金属Ru胶体 溶液在快速揽拌下滴加到上述悬浊液中,将上述混合液继续超声30分钟后,继续揽拌12小 时,过滤,用丙丽洗涂沉淀Η次,所得固体沉淀物在573K下氮气气氛中热处理一小时,研磨 并用去离子水洗涂至无C1离子被检出,将沉淀用少量己醇洗涂后在真空干燥箱中于333Κ 下干燥过夜,制得贵金属含量为3wt%的Ru金属纳米簇复合物催化剂Ru/MDCl-6。ΤΕΜ分析 表明,Ru/MDCl-6中Ru金属纳米粒子的平均粒径为1. 4纳米,粒径分布为1-3纳米。
[01巧]实施例7、制备贵金属含量为3wt%的Pt-化-Ir合金纳米簇复合物催化剂Pt-化-Ir/MDCl-7)(方法一)
[0126] 参照文献中的方法制备碳纤维巧ve S. Steigerwalt, et al.,J. Phys. Chem. B,2002, 106, 760 - 766)。
[0127] 将Ig
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