一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備與應(yīng)用制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備與應(yīng)用，其制備方法是：取濃度比為10?mM/1～10?mM?H

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備與應(yīng)用
本專利技術(shù)涉及電催化劑和燃料電池領(lǐng)域，具體是一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑及其制備方法，以及在直接乙醇燃料電池中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
目前，直接乙醇燃料電池（DEFC）的陽極過程催化劑仍以Pt基材料為主，但Pt資源稀缺，催化劑的成本高昂，且易于被有機燃料分子氧化過程中產(chǎn)生的一些毒性中間物種毒化。解決此問題的有效途徑之一是在有效成分Pt的基礎(chǔ)上摻入另一種金屬元素形成Pt基二元合金，通過雙金屬間的協(xié)同效應(yīng)可以明顯提升催化劑的電催化性能以及貴金屬Pt的利用效率。近年來，大量的文獻報道了Pt基二元合金催化劑Pt-M（M=Pd，Ru，Sn，Cu，Re，Ag，Co，Ni，Rh等）的制備及其對乙醇氧化的電催化性能。稀土金屬元素具有獨特的4f層電子構(gòu)型而表現(xiàn)出優(yōu)良的助催化性能，在直接醇類燃料電池電催化劑的設(shè)計和構(gòu)建中引起了人們的廣泛關(guān)注。許多研究者將稀土金屬的氧化物（如CeO2、Sm2O3、Eu2O3等）摻雜到Pt催化劑中，發(fā)現(xiàn)均能不同程度地提升催化劑對醇類分子氧化的電催化活性。然而，稀土氧化物的導(dǎo)電性較差且易溶于酸性介質(zhì)中，導(dǎo)致稀土氧化物摻雜催化劑的電化學(xué)性能受到很大的限制。為了解決此問題，人們嘗試通過稀土金屬與Pt的共沉積讓稀土金屬原子進入Pt的晶格中來制備Pt基稀土合金催化劑。然而，稀土金屬非常活潑，其還原電勢一般比Pt負3.5V，在水溶液體系中很難實現(xiàn)Pt與稀土的共沉積而制得Pt基稀土合金催化材料。因此，Pt基稀土合金催化劑的制備仍然存在著極大的挑戰(zhàn)。盡管已有一些文獻報道了Pt基稀土合金催化劑（如PtCe，PtPr，PtNd，PtSm，PtGd，PtDy，PtEr，PtY等）的制備及其在燃料電池電催化中的應(yīng)用，但有關(guān)PtLa合金催化劑的研究文獻報道不多，主要涉及如下的幾篇文獻報道：(1)2009年《JournalofAlloysandCompounds》報道以碳黑為載體通過乙二醇還原法制備了幾種Pt基稀土合金催化劑（包括PtLa合金），并研究了其對甲醇氧化的電催化性能。(2)2014年《JournalofMaterialsChemistryA》報道了三種Pt基稀土合金（Pt5La，Pt5Ce和Pt3La）對氧還原反應(yīng)的電催化性能研究，然而這三種合金材料均采用本體金屬熔融法制備得到。(3)2016年《Science》報道了八種合金催化劑Pt5M（M=La，Ce，Sm，Gd，Tb，Dy，Tm和Ca）對氧還原反應(yīng)的電催化性能研究，這些合金材料催化劑也均通過本體金屬熔融法制備得到。(4)2016年《JournalofSolidStateElectrochemistry》報道通過多元醇還原法制備了四種碳載Pt基稀土合金催化劑（PtLa，PtCe，PtPr和PtEu），并研究了其對乙醇氧化的電催化活性。由此可見，文獻報道的PtLa合金催化劑均采用多元醇還原法或本體金屬熔融的物理方法制備，且所得到的催化劑大多為球形納米顆粒或本體的多晶材料。有關(guān)凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的形狀控制合成，并將其應(yīng)用于直接乙醇燃料電池的研究尚未見文獻和專利報道。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種直接乙醇燃料電池凹立方體PtLa合金納米晶催化劑及其制備方法，該制備方法操作簡單、條件可控，所制備的凹立方體PtLa合金納米晶催化劑對乙醇氧化表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化活性和穩(wěn)定性。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備方法，包括下列步驟：(1)取濃度比為10mM/1～10mMH2PtCl6/La(NO3)3的混合DES溶液置于電解池中，80℃下以玻碳電極為工作電極基底進行電化學(xué)程序方波電位處理；(2)方波電位處理，首先從開路電位階躍到-1.9V停留10～120s進行成核，然后施加方波電位處理30min，方波處理的下限電位為-1.75～-1.5V，上限電位為-0.45～-0.2V，方波頻率為10Hz，即可制得凹立方體PtLa合金納米晶催化劑。應(yīng)用上述制備方法制得的凹立方體PtLa合金納米晶催化劑。上述制得的凹立方體PtLa合金納米晶催化劑在直接乙醇燃料電池中的應(yīng)用。稀土金屬元素非常活潑，在水溶液體系中很難實現(xiàn)Pt與稀土的共沉積而制得Pt基稀土合金催化材料。本專利技術(shù)以氯化膽堿/尿素DES為介質(zhì)，通過電化學(xué)程序方波電位法直接在玻碳電極上共沉積制備具有高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)的凹立方體PtLa合金納米晶催化劑，其形態(tài)和尺寸均一，合金化程度高，還明顯增強了催化劑中Pt與La之間的電荷轉(zhuǎn)移相互作用，從而極大地提高了催化劑對乙醇氧化的電催化活性和穩(wěn)定性。本專利技術(shù)制備凹立方體PtLa合金納米晶催化劑所采用的方法工藝簡單，操作條件可控，納米晶的產(chǎn)率與合金化程度高，具有良好的應(yīng)用前景。附圖說明圖1為實施例制備凹立方體PtLa合金納米晶催化劑過程的方框圖；圖2為實施例所制備的凹立方體PtLa合金納米晶的SEM圖；圖3為實施例所制備的凹立方體PtLa合金納米晶的粒徑統(tǒng)計圖；圖4為實施例所制備凹立方體PtLa合金納米晶的TEM圖（a），選區(qū)電子衍射圖（b），HRTEM圖（c），HAADF-STEM圖（d）以及La和Pt元素的面分布圖；圖5為實施例所制備的凹立方體Pt納米晶（A）和凹立方體PtLa合金納米晶（B）的Pt4fXPS譜圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本
技術(shù)實現(xiàn)思路
作進一步的說明，但不是對本專利技術(shù)的限定。實施例參照圖1，制備凹立方體PtLa合金納米晶催化劑，取8mLH2PtCl6和La(NO3)3的混合DES溶液置于電解池中，80℃下以玻碳電極為工作電極基底進行電化學(xué)程序方波電位處理；首先，從開路電位階躍到-1.9V停留10～120s進行成核，然后施加方波電位處理30min（方波處理的下限電位為-1.75～-1.5V，上限電位為-0.45～-0.2V，方波頻率為10Hz），即可制得凹立方體PtLa合金納米晶催化劑。SEM分析表明，PtLa合金納米晶單分散生長于玻碳電極基底上，其中凹立方體形狀PtLa納米晶的產(chǎn)率高達90%，平均粒徑為47.5nm，凹立方體PtLa合金納米晶的形狀和尺寸均一性良好。圖2和圖3分別給出了所制備凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的SEM圖和相應(yīng)的粒徑統(tǒng)計圖。TEM分析表明，所制備的凹立方體PtLa合金納米晶催化劑具有單晶結(jié)構(gòu)，其表面主要由{410}及其鄰近高指數(shù)晶面包圍而成。此外，PtLa納米晶的HRTEM和STEM結(jié)果也明確證實了高度合金化的PtLa合金結(jié)構(gòu)的形成。圖4給出了凹立方體PtLa合金納米晶的TEM圖（a），選區(qū)電子衍射圖（b），HRTEM圖（c），HAADF-STEM圖（d）以及La和Pt元素的面分布圖。XPS分析指出，凹立方體PtLa合金納米晶催化劑中Pt與La原子之間存在較強的電子轉(zhuǎn)移相互作用，這有利于增強該催化劑對乙醇氧化的電催化性能，如表1所示。圖5給出了所制備凹立方體Pt納米晶（A）和凹立方體PtLa合金納米晶（B）的Pt4fXPS譜圖。表1凹立方體Pt納米晶和凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的Pt4fXPS結(jié)果通過電化學(xué)循環(huán)伏安法和計時電流法比較了所制備凹立方體Pt納米晶和凹立方體PtLa合金納米晶催化劑對乙醇氧化的電催化性能。循本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備方法，其特征是：包括下列步驟：(1)?取濃度比為10?mM/1～10?mM?H

【技術(shù)特征摘要】
1.一種凹立方體PtLa合金納米晶催化劑的制備方法，其特征是：包括下列步驟：(1)取濃度比為10mM/1～10mMH2PtCl6/La(NO3)3的混合DES溶液置于電解池中，80℃下以玻碳電極為工作電極基底進行電化學(xué)程序方波電位處理；(2)方波電位處理，首先從開路電位階躍到-1.9V停留10～120s進行成核，然后...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：樊友軍，王莉，項勝，孫世剛，
申請(專利權(quán))人：廣西師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：廣西,45