Cu₂O納米晶表面原位合成Pt納米粒子新型結(jié)構(gòu)

燃料電池因零排放和高能效而備受關(guān)注，卻因燃料電池價(jià)格高昂而推廣受阻，其中一個(gè)重要原因在于燃料電池需要昂貴的鉑（Pt）作催化劑。因此，如何提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，減少貴金屬的載量，有效降低電池的制造成本已成為一個(gè)突出的研究課題。

最近幾年，全世界的研究主要集中在通過合金，將鉑同其他更為廉價(jià)的金屬結(jié)合形成合金，在降低催化劑價(jià)格的前提下，保持性能不降低。另一個(gè)改進(jìn)方法是開發(fā)中空、籠形、多孔材料，以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。因此，通過氧化亞銅原位合成Pt納米粒子并由此展開對(duì)其氧還原性質(zhì)和催化性質(zhì)的研究是有很高的潛在利益的。

通過納米CuO原位合成Pt納米粒子實(shí)驗(yàn)

由本^所制備CuO納米晶體結(jié)構(gòu)為八面體型，結(jié)構(gòu)規(guī)整，分散均勻。利用CuO納米與PtCl離子之間的電化置換過程，開發(fā)了一種由2-3納米Pt納米粒子組成的自支撐Pt納米結(jié)構(gòu)的新合成方法。

合成Pt納米粒子實(shí)驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)中，在將CuO納米晶體加入PtCl反應(yīng)體系中之后，其中反應(yīng)物界面處材料的凈定向流動(dòng)可能導(dǎo)致產(chǎn)物中形成空隙。在這種方法中，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)到表面的銅離子的擴(kuò)散速率比從表面到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鉑離子的擴(kuò)散速度快，最終導(dǎo)致顆粒中形成空隙。此外，剩余的CuO核心可以通過氨或酸去除，從而形成中空結(jié)構(gòu)。

選擇CuO作為犧牲模板在CuO表面形成Pt納米粒子的驅(qū)動(dòng)力可歸因于CuO表面上的還原電位CuO/Cu²⁺和PtCl^-對(duì)。一旦PtCl^-在水溶液中與CuO模板接觸，它將立即在CuO表面被還原并快速成核，從而生長(zhǎng)成團(tuán)簇并進(jìn)一步成為Pt納米粒子。

合成Pt納米粒子實(shí)驗(yàn)步驟

通過上述制備的Cu20納米在5ml的DI水中進(jìn)行了超聲再分散。在磁性攪拌下，將160μl的KPtCl水溶液加入CuO懸浮液中。在這個(gè)階段，沒有反應(yīng)被觀察到溶液仍然是橙色（棕色）。為了初始化反應(yīng)，在反應(yīng)系統(tǒng)中加入了0.1ml的有機(jī)或無(wú)機(jī)酸。溶液立刻變暗，然后變黑，表明了Pt粒子的形成。用離心法、離心法和乙醇進(jìn)行離心分離后，得到了1h的反應(yīng)。

通過第一組的顯微圖像，當(dāng)我們用160微升的KPtCl加入納米氧化亞銅中，再加入10%1ml的酸反應(yīng)后我們可以看出此時(shí)得到的Pt納米粒子粒徑減小，空間結(jié)構(gòu)被打散，晶體核脫落，比表面積增大，表面原子配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸空鍵和不飽和鍵等，這就使得納米粒子具有高的表面活性（化學(xué)反應(yīng)速率）。且它的空間構(gòu)型更符合Pt納米粒子的中空白支撐性及可互相連接的多孔結(jié)構(gòu)T35whD8yY2HVzdseRw7ZC0q6UyYimYgmSvhyawiuYgI=。

第二組我們加入的KPtCl和酸的用量相同，但是圖像的反應(yīng)時(shí)間不同，我們發(fā)現(xiàn)5min時(shí)它的結(jié)構(gòu)開始被打散，比表面積有增大的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)構(gòu)越近似于第一組的圖像。

結(jié)論一：反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成Pl納米粒子的影響。

我們討論反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成Pt納米粒子的影響。時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越徹底，合成的空間構(gòu)型更符合Pt納米粒子的中空白支撐性及可互相連接的多孔結(jié)構(gòu)。

通過第四組的圖像與第一組相對(duì)比我們可以看出，當(dāng)酸的濃度降低為2%而其他條件不變時(shí)，我們可以很明顯地看出它的結(jié)構(gòu)沒有那么松散，中空結(jié)構(gòu)不多，自支撐及可互相連接處沒有第一組那么多，依稀可見納米氧化亞銅原料的八面體結(jié)構(gòu)。

結(jié)論二：滴加酸的濃度對(duì)合成Pt納米粒子的影響。

滴加酸的濃度對(duì)合成Pt納米粒子的影響。酸的濃度越大，合成的空間構(gòu)型更符合Pt納米粒子的中空白支撐性及可互相連接的多孔結(jié)構(gòu)。

由第五六七組圖像我們可以得出，這次合成的納米粒子結(jié)構(gòu)很明顯的沒有前四組結(jié)構(gòu)合成的明顯，反而更像是納米氧化亞銅的狀態(tài)，很明顯KPtCl不能過少。所以隨著KptCl的用量越來越少，合成反應(yīng)過程中空間構(gòu)型的分散越來越不明顯，結(jié)構(gòu)也未發(fā)現(xiàn)明顯中空，后三組的圖像更是近似于納米氧化亞銅的空間構(gòu)型圖像，反應(yīng)量級(jí)太少，Pt納米粒子未成形。

結(jié)論三：滴加KPtCl的用量對(duì)合成Pt納米粒子的影響。

滴加KPtCl的用量，在控制酸的濃度及其他變量的基礎(chǔ)上，它對(duì)于此次合成實(shí)驗(yàn)的影響最為重大，我們通過第一組和第三組，還有第五組和第六組和之后的圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，得出在其他條件不變的情況下，KPtCl的用量越多，合成的空間構(gòu)型更符合新型Pt納米粒子的中空自支撐性及可互相連接的多孔結(jié)構(gòu)。

綜上所述，從CuO中通過一種新穎的電流替代途徑，制備了有獨(dú)特的自支撐的相互連接和多孔結(jié)構(gòu)的Pt納米粒子。我們的結(jié)果表明，H⁺離子對(duì)于納米氧化亞銅初始化原位合成反應(yīng)是至關(guān)重要的，這一合成過程消除了任何聚合物蓋層劑的使用，并使其催化清潔Pt表面。Pt納米粒子的中空白支撐性及可互相連接的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)于Pt納米粒子的催化氧還原性質(zhì)產(chǎn)生一定的良好影響。