一种钯铜金纳米刺状电催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及一种钯铜金纳米刺状电催化剂及其制备方法，该催化剂可用于电化学催化氧化还原反应的研究。

(二)

背景技术：

在过去几年里，直接的甲醇燃料电池由于具有高效率、独特的能量密度、低运行温度、环境友好等特点，备受关注成为了具有发展潜力的新一代能源。通常来说，直接的甲醇燃料电池的一些重要特性(例如，能量效率和寿命)很大程度上取决于催化剂的性能。对于直接的甲醇燃料电池的商业化，有效的、稳定的和低成本的催化剂是不可缺少的。现在，铂基纳米材料由于其在阴极和阳极反应中都具有高的催化活性，因此是最常用的催化剂。然而，铂基纳米材料在氧化还原反应中的高花费、容易受一氧化碳中毒、稳定性差能缺点阻碍的它的进一步发展。最近的研究表明，钯基催化剂花费较低，在催化氧化还原反应中具有活性高、稳定性好等特点。因此，钯基催化剂可有效地代替铂基催化剂。

为了进一步提高钯基催化剂对氧化还原反应的催化性能，近几年大量的研究者付出了不懈的努力。一种有效的策略就是将其他金属元素嵌入到钯晶格中形成钯基合金催化剂，这能调节钯的电子结构，造成钯原子的晶格应变，从而能获得更多的活性位点，并有效地增强氧化还原反应的活性和稳定性。另外，因为非贵金属元素可以有效地催化剂的成本。例如黄小青等提出了一种合成一类有序的钯铜基纳米颗粒的新的胶体化学法，得益于各相之间的相互作用和组分优势，钯铜基催化剂在氧化还原反应中展现了优越的活性和稳定性(jiang,k.z.；wang,p.t.；guo,s.j.；zhang,x.；shen,x.；lu,g.；su,d.；huang,x.q.orderedpdcu-basednanoparticlesasbifunctionaloxygen-reductionandethanol-oxidationelectrocatalysts.angew.chem.int.ed.2016,55,9030-9035)。杨军等报道了一种通过在油相中利用置换法合成形貌可控的双金属钯铜合金多枝状材料，铜与钯结合造成增强的晶格收缩，降低了中间产物与钯的结合键能，从而提高了对氧化还原反应的电化学性能(chen,d.；sun,p.c.；liu,h.yang,j.bimetalliccu–pdalloymultipodsandtheirhighlyelectrocatalyticperformanceforformicacidoxidationandoxygenreduction.j.mater.chem.a,2017,5,4421-4429)。因此，钯基合金纳米材料被认为是催化氧化还原反应的有前途的催化剂。

除了催化剂的组成，钯基材料催化剂的性能很大程度上也取决于形貌和大小的精确调控。近几年，许多具有不同形貌的钯基纳米材料被合成来提高它们的电化学性能。例如管状、片状、笼状、多枝状等。其中具有连通的开放的多孔结构的三维纳米材料展现了良好的多孔性和渗透性，并且它高度暴露的表面能够增加催化剂的利用率，从而增强电化学活性和稳定性。例如，通过在油胺中用碘化钠刻蚀得到的六脚的铂铜，在氧还原中展现了很好的催化活性和稳定性，这得益于六脚架构的优势和两个金属之间的协同效应(wang,k.；sriphathoorat,r.；luo,s.p.；tang,m.；duh.y.；shen,p.k.ultrathinptcuhexapodnanocrystalswithenhancedcatalyticperformanceforelectro-oxidationreactions.j.mater.chem.a,2016,4,13425-13430)。尽管钯基双金属合金催化剂走在科技的前沿，但是构造具有三维枝状纳米结构的钯基多金属催化剂依然是一个很大的挑战。

三维枝状钯基多金属纳米材料不仅可以降低成本，而且能增加与反应物的接触面积，增加活性位点，有效地提高催化电化学氧化还原反应的活性和稳定性。因此通过一步简单的方法制备钯铜金纳米刺状催化剂对促进电化学应用具有重要的研究意义。

(三)

技术实现要素：

本发明目的是提供一种钯铜金纳米刺状电催化剂及其制备方法，以及对催化电化学氧化还原反应进行研究。

本发明采用的技术方案是：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂，由如下方法制备：

(1)分别配浓度在1～30mm之间的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度在1～10m之间的盐酸溶液和浓度在0.01～0.5m之间的抗坏血酸溶液；

(2)分别取总体积为4.5ml的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液混合，然后加入0.1～0.5ml已配好的盐酸溶液，再加入0.01～0.5g之间的溴化钾和f127，混合均匀；最后再加入1～10ml的抗坏血酸溶液，超声混合5～30分钟；

(3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到70～130℃之间，反应0.1～3h后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金纳米刺状电催化剂。

反应条件的选择对制备钯铜金的结构具有重要影响，反应中加入溴化钾是由于br^-可以吸附在面心立方金属的(100)晶面上，能选择性阻止(100)晶面上金属的生长，有利于枝状金属的生长。cu具有低堆垛层错能，引入cu²⁺可以在成核阶段激发片状的种子形成，最终导致形成枝状的纳米晶体。另外，选择三嵌段共聚物f127作为封端剂，能有效地提高成核中心的分散性减小团聚的可能，因此导致分散性很好的三维纳米刺的形成。在制备过程中，改变前物体加入的比例可以控制钯铜金的形貌和结构。

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)分别配浓度在1～30mm之间的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度在1～10m之间的盐酸溶液，浓度在0.01～0.5m之间的抗坏血酸溶液；

(2)分别取总体积为4.5ml的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液混合，然后加入0.1～0.5ml之间的盐酸溶液，再加入0.01～0.5g之间的溴化钾和f127，混合均匀；最后再加入1～10ml的抗坏血酸溶液，超声混合5～30分钟；

(3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到70～130℃之间，反应0.1～3h后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金刺状电催化剂。

进一步，控制氯钯酸钠，氯金酸，氯化铜，抗坏血酸的浓度和体积，溴化钾和f127的量，以及反应的温度和时间来控制钯铜金的形貌和结构。

在常温常压下进行电化学催化氧化还原反应，具体性能测试操作过程为：

(1)称取1～10mg的样品分散在超纯水中，超声30分钟得到均匀的分散液，取1～10μl滴在玻碳电极表面，50℃干燥后滴1～10μl的nafion溶液(0.5wt％)覆盖在催化剂表面，制成工作电极。同时铂丝电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极组成三电极系统进行氧化还原测试；

(2)在测试前，电解槽中加入0.1m的高氯酸溶液，通30分钟氧气使其溶液氧气饱和，选择循环伏安法和线性扫描伏安法的测试程序，用计算机监视工作电极在不同扫速下的电流情况。最后根据测得的数据和相应的公式计算出塔菲尔斜率，转移电子数和过氧化氢产率来评价催化剂的氧还原性能。

本发明所提供的钯铜金纳米刺状电催化剂及其制备方法的有益效果主要体现在：

(1)制备方法简单且温和，一步法直接得到产物，纳米刺状产物产率高。

(2)通过改变前驱体的浓度和体积可以控制钯铜金的形貌和结构，从而在氧还原应用中的表现不同。

(3)合成的钯铜金刺状电催化剂在氧化还原反应中展现了突出的活性和稳定性，钯基材料作为电催化剂具有很高的应用前景。

(四)附图说明

图1为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺的sem图。

图2为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺的tem和hrtem图。

图3为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺的xrd图。

图4为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺的xps图。

图5为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺在1600转下的线性扫描伏安曲线，塔菲尔斜率，各个转速下的线性扫描伏安曲线及转移电子数。

图6为本发明的具体实施例1钯铜金纳米刺的旋转还盘电流，转移电子数和过氧化氢产率，5000圈前后的线性扫描伏安曲线，及极谱电流时间曲线。

图7为本发明的具体实施例2钯铜金多枝纳米颗粒的sem图。

图8为本发明的具体实施例2钯铜金多枝纳米颗粒在1600转下的线性扫描伏安，塔菲尔斜率。

图9为本发明的具体实施例3钯铜金针状纳米颗粒的sem图。

图10为本发明的具体实施例3钯铜金针状纳米颗粒在1600转下的线性扫描伏安，塔菲尔斜率。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

参照图1～图10，本实施例中，对所述钯铜金材料的氧化还原的性能测试是在chi852d电化学工作站上进行的，操作过程为：

第一步、称取2mg的样品分散在1ml超纯水中，超声30分钟得到均匀的分散液，取5μl滴在玻碳电极表面，50℃干燥后滴5μlnafion溶液(0.5wt％)覆盖在催化剂表面，制成工作电极。同时铂丝电极作为对电极，ag/agcl电极作为参比电极组成三电极系统进行氧化还原测试；

第二步，在测试前，电解槽中加入0.1m的高氯酸溶液，通30分钟氧气使其溶液氧气饱和，选择循环伏安法和线性扫描伏安法的测试程序，用计算机监视工作电极在不同扫速下的电流情况。最后根据测得的数据和相应的公式计算出塔菲尔斜率，转移电子数和过氧化氢产率来评价催化剂的氧还原性能。

实施例1：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)分别配浓度为20mm的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度为6m的盐酸溶液和浓度为0.1m的抗坏血酸溶液；

2)分别取2.5ml氯钯酸钠、1ml氯化铜和1ml氯金酸溶液混合，然后加入0.2ml盐酸溶液，再加入200mg溴化钾和50mgf127，超声混合均匀；最后再加入2ml抗坏血酸溶液，超声混合20分钟；

3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到95℃，反应30分钟后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金纳米刺状电催化剂。

获得的钯铜金纳米刺的sem图参见图1。获得的钯铜金纳米刺的tem图参见图2。获得的钯铜金纳米刺的xrd图参见图3。获得的钯铜金纳米刺的xps图参见图4。获得的钯铜金纳米刺在1600转下的线性扫描伏安，塔菲尔斜率，各个转速下的线性扫描伏安及转移电子数参见图5。获得的钯铜金纳米刺的旋转还盘电流，转移电子数和过氧化氢产率，5000圈前后的线性扫描伏安曲线，及极谱电流时间曲线参见图6。

由sem图可见，钯铜金纳米刺的产率接近100％，每个粒子都高度分支化，由错落的纳米刺组成三维结构，纳米刺由中心出发延伸到各个方向。通过hrtem、xrd和xps分析，该材料的合金化程度好，钯铜金合金形成。通过线性扫描伏安曲线可以看出，钯铜金纳米刺具有很正的催化氧还原的起始电位(0.96vvs.rhe)和半波电位(0.86vvs.rhe)。根据线性扫描伏安曲线计算得塔菲尔斜率为64mvdec^-1，证明在氧还原过程中第一电子的转移是速率控制步骤。通过不同转速下的线性扫描伏安曲线及转移电子数，旋转还盘电流，转移电子数和过氧化氢产率可以看出发生了四电子反应，且中间产物少。从5000圈前后的线性扫描伏安曲线，及极谱电流时间曲线可以看出，钯铜金纳米刺具有很好的稳定性。

实施例2：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)分别配浓度为20mm的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度为6m的盐酸溶液和浓度为0.1m的抗坏血酸溶液；

2)分别取3ml氯钯酸钠、0.75ml氯化铜和0.75ml氯金酸溶液混合，然后加入0.2ml盐酸溶液，再加入200mg溴化钾和50mgf127，超声混合均匀。最后再加入2ml抗坏血酸溶液，超声混合20分钟；

3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到95℃，反应30分钟后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金多枝纳米颗粒氧还原催化剂。

获得钯铜金多枝纳米颗粒的sem图参见图7，获得钯铜金多枝纳米颗粒在1600转下的线性扫描伏安和塔菲尔斜率参见图8。

由sem图可见，钯铜金多枝纳米颗粒形成。这主要是由于改变了前驱体的比例导致钯铜金形貌改变。通过线性扫描伏安曲线可以看出，钯铜金多枝纳米颗粒具有较正的催化氧还原的起始电位(0.88vvs.rhe)和半波电位(0.82vvs.rhe)。根据线性扫描伏安曲线计算得塔菲尔斜率为62mvdec^-1，证明在氧还原过程中第一电子的转移是速率控制步骤。

实施例3：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)分别配浓度为20mm的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度为6m的盐酸溶液和浓度为0.1m的抗坏血酸溶液；

2)分别取1.5ml氯钯酸钠、1.5ml氯化铜和1.5ml氯金酸溶液混合，然后加入0.2ml盐酸溶液，再加入200mg溴化钾和50mgf127，超声混合均匀。最后再加入2ml抗坏血酸溶液，超声混合20分钟；

3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到95℃，反应30分钟后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金针状纳米颗粒氧还原催化剂。

获得钯铜金针状纳米颗粒的sem图参见图9，获得钯铜金针状纳米颗粒在1600转下的线性扫描伏安和塔菲尔斜率参见图10。

由sem图可见，钯铜金针状纳米颗粒形成。这主要是由于改变了前驱体的比例导致钯铜金形貌改变。通过线性扫描伏安曲线可以看出，钯铜金针状纳米颗粒具有较正的催化氧还原的起始电位(0.85vvs.rhe)和半波电位(0.80vvs.rhe)。根据线性扫描伏安曲线计算得塔菲尔斜率为63mvdec^-1，证明在氧还原过程中第一电子的转移是速率控制步骤。

实施例4：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)分别配浓度为30mm的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度为10m的盐酸溶液和浓度为0.5m的抗坏血酸溶液；

2)分别取2.5ml氯钯酸钠、1ml氯化铜和1ml氯金酸溶液混合，然后加入0.5ml盐酸溶液，再加入0.5g溴化钾和0.5gf127，超声混合均匀。最后再加入10ml抗坏血酸溶液，超声混合30分钟；

3)溶液充分混合后，置于油浴锅中回流加热到130℃，反应3小时后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金纳米刺状纳米颗粒氧还原催化剂。

由于在这个过程中，氯钯酸钠、氯金酸和氯化铜的浓度很大，因此合成出来的催化剂颗粒也比较大；另外增加盐酸的量之后，会极大的降低抗坏血酸的还原能力，使其很难将氯钯酸钠、氯金酸和氯化铜还原，因此合成的催化剂难以得到纳米刺状的钯铜金催化剂。

实施例5：

一种钯铜金纳米刺状电催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)分别配浓度为1mm的氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸溶液，浓度为1m的盐酸溶液和浓度为0.01m的抗坏血酸溶液；

2)分别取2.5ml氯钯酸钠、1ml氯化铜和1ml氯金酸溶液混合，然后加入0.1ml盐酸溶液，再加入0.01g溴化钾和0.01gf127，超声混合均匀。最后再加入1ml抗坏血酸溶液，超声混合5分钟；

3)溶液充分混合后，置于油浴锅中加热到70℃，反应0.1小时后，洗涤、离心、干燥，得到所述钯铜金纳米刺状纳米颗粒氧还原催化剂。

由于在这个过程中，氯钯酸钠、氯金酸和氯化铜的浓度很低，因此合成出来的催化剂颗粒很小，很难从溶液中离心出来，而且溴化钾和f127的量也比较少，很难调控催化剂的形貌，而且，反应温度比较低，不能将氯化铜还原，因此难以合成纳米刺状的钯铜金催化剂。