[發明專利]一種CuPd金屬納米催化劑及其制備方法、應用

在審

• 申請號: 201710148340.2
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106861717A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 黃瑞杰;張嵐;曾杰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學先進技術研究院
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;H01M4/92;B82Y30/00
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙)34119
• 代理人: 崇鑫,劉希慧

技術領域

本發明涉及催化劑技術領域，尤其涉及一種CuPd金屬納米催化劑及其制備方法、一種CuPd/C金屬納米催化劑及其制備方法、應用

背景技術

隨著經濟社會的快速發展，對能源的需求量日益擴增。地球上傳統化石能源的儲量越來越少，而且化石能源的消耗往往帶來諸如二氧化碳等有害的副產物，嚴重影響了地球的生態環境。尋找清潔、可持續能源成為亟待解決環境問題的關鍵。質子膜交換燃料電池作為一種效率很高的能量轉換器件，不但綠色環保，而且電池工作溫度低、啟動快、結構簡單，故這樣的器件越來越受到人們的關注。燃料電池的核心是電化學過程，而電化學過程需要催化劑來降低反應過程的能耗來提高反應速率。燃料電池的陰極反應是氧還原反應，此反應過程需要有四個電子參與，對于反應動力學而言是極為不利的，因此降低陰極反應過程的過電勢成為提高燃料電池的關鍵。Pt/C因其對氧還原反應的催化活性很高，常作為商用催化劑，但其地球儲量少，價格昂貴，限制其大規模應用。這突顯探索催化活性高、穩定性好和價格低廉的不含鉑元素的催化劑的重要性。

催化劑與氧或氫氧基團之間的吸附能被認為是氧還原反應的活性有效指標。鈀原子具有與鉑原子相同的電子結構，其對氧的吸附能略大于鉑。合金化可用來調控催化劑的電子結構，CuPd合金中銅原子上的電子會轉移到鈀原子上，可使鈀對氧的吸附能降低。同時，CuPd金屬納米催化劑具有四足體的形貌，尖端結構容易聚集電子，進一步提高尖端鈀原子的電子密度，調控其電子結構，提高其電催化活性。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種CuPd金屬納米催化劑，合金化CuPd金屬納米催化劑具有四足體的形貌，不僅銅原子上的電子轉移到鈀原子上，而且四腳足中的尖端效應使電子容易聚集在尖端，進一步提高尖端鈀原子的電子密度，合金效應和尖端效應同時降低了鈀原子的d帶中心，減弱鈀對氧的吸附能，提高了燃料電池氧還原反應的效率，因此在質子膜交換燃料電池上具有廣闊的應用前景。

本發明提出的一種CuPd金屬納米催化劑，所述CuPd金屬納米催化劑具有四足體結構。

優選地，Cu、Pd的原子個數比為10～13：87～90。

優選地，四足體結構中每個足的長度為40～50nm。

優選地，所述CuPd金屬納米催化劑的粒徑為100～120nm。

本發明還提出的上述CuPd金屬納米催化劑的制備方法，常溫下，將四氯鈀酸鈉、氯化亞銅、聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖加入癸胺和氮-氮二甲基甲酰胺的混合溶液中攪拌至溶解，接著水熱反應，冷卻至室溫，清洗，真空干燥得到CuPd金屬納米催化劑。

優選地，四氯鈀酸鈉、氯化亞銅、聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖的重量比為7.8～9.8：2～4：280～320：240～260，癸胺和氮-氮二甲基甲酰胺的體積比為80～120：4800～5200，葡萄糖和癸胺的質量體積比(mg/μL)為240～260：80～120。

優選地，水熱反應的溫度為68～72℃，水熱反應的時間為2～2.5h。

優選地，真空干燥的溫度為50～54℃。

優選地，清洗的具體步驟如下：將冷卻至室溫的物料離心分離，將離心所得產物用極性溶劑進行超聲洗滌，然后繼續進行離心分離，再將離心所得產物用極性溶劑進行超聲洗滌。

優選地，離心分離的轉速為12000～13000轉/min，離心分離的時間為10～12min。

優選地，極性溶劑為無水乙醇。

本發明還提出的一種CuPd/C金屬納米催化劑，炭黑表面負載有上述CuPd金屬納米催化劑。

本發明還提出的上述CuPd/C金屬納米催化劑的制備方法，將上述CuPd金屬納米催化劑加入無水乙醇中超聲分散得到溶液A；將炭黑加入無水乙醇中超聲分散得到溶液B；將溶液B常溫持續攪拌，攪拌過程中將溶液A滴加入溶液B中，然后洗滌，干燥得到CuPd/C金屬納米催化劑。

優選地，溶液A中CuPd和無水乙醇的質量體積比(mg/mL)為0.8～1.2：0.8～1.2，溶液B中炭黑和無水乙醇的質量體積比(mg/mL)為0.8～1.2：0.8～1.2，溶液A和溶液B的體積比為0.8～1.2：3.5～4.5。

優選地，超聲分散的時間為1.5～2.5h。

優選地，洗滌的具體操作如下：將滴加完成后的物料進行離心分離，將離心所得產物用極性溶劑進行超聲洗滌，然后繼續進行離心分離，再將離心所得產物用極性溶劑進行超聲洗滌。