首页 > 专利 > 安徽师范大学 > 单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用专利详情

单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用   0    0

有效专利 查看PDF
专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2019-11-07
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2020-03-03
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2022-06-21
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2039-11-07
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201911081906.X 申请日 2019-11-07
公开/公告号 CN110767913B 公开/公告日 2022-06-21
授权日 2022-06-21 预估到期日 2039-11-07
申请年 2019年 公开/公告年 2022年
缴费截止日
分类号 H01M4/88H01M4/90B82Y40/00 主分类号 H01M4/88
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 3
权利要求数量 4 非专利引证数量 1
引用专利数量 2 被引证专利数量 0
非专利引证 1、2012.01.19CN 106670495 A,2017.05.17applicationsAli Canlier.Developmentof highly transparent Pd-coated Agnanowire electrode electrodefor displayand catalysis applications《.AppliedSurface Science》.2015,第350卷第79–86页.;
引用专利 US2010099012A、WO2012009467A 被引证专利
专利权维持 3 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 安徽师范大学 当前专利权人 安徽师范大学
发明人 李永新、未海峰、花红梅、赵丹丹 第一发明人 李永新
地址 安徽省芜湖市弋江区花津南路安徽师范大学 邮编 241000
申请人数量 1 发明人数量 4
申请人所在省 安徽省 申请人所在市 安徽省芜湖市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
芜湖安汇知识产权代理有限公司 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
任晨晨
摘要
本发明提供了单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用,本发明通过先制备单一银纳米电极,再通过电流置换反应成功制备单一银钯合金纳米线电极,与现有技术相比,本发明不需要合成纳米线材料,从而避免合成的纳米线出现形貌不规则,导电性差,纵横比低等问题,同时也不需要模板来指导纳米线的生长。而且,本发明制备的单一银钯合金纳米线电极用于催化甲醇,可以从单根纳米线的角度考察其催化性能,这是其它大部分方法所不具有的,并且本发明制备的单一银钯合金纳米线电极产生的电流密度高。另外,本发明制备的单一银钯合金纳米线电极对甲醇具有优异的催化性能,长期稳定性,以及催化稳定性和去除一氧化碳能力。
  • 摘要附图
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图1
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图2
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图3
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图4
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图5
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图6
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图7
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图8
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图9
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
  • 说明书附图:图10
    单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2022-06-21 授权
2 2020-03-03 实质审查的生效 IPC(主分类): H01M 4/88 专利申请号: 201911081906.X 申请日: 2019.11.07
3 2020-02-07 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.单一银钯合金纳米线电极的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
1)制备银纳米线电极:
1‑1)将银丝塞入铝硅酸盐毛细管中,并使用环氧树脂胶将毛细管一端封住;
1‑2)等环氧树脂胶完全干燥以后,使用激光拉制仪将步骤1‑1)处理后的毛细管拉制成两根尖端是纳米级的探针;
1‑3)利用银导电胶将钨丝与银丝相连;
1‑4)尖端用金相砂纸进行打磨抛光,得到纳米盘电极;
1‑5)将步骤1‑4)得到的纳米盘电极用HF溶液刻蚀,得到银纳米线电极;
2)将步骤1)制备的银纳米线电极在硝酸钯溶液中浸泡,浸泡时间为10‑40min,得到单一银钯合金纳米线电极。

2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1‑5)中所述刻蚀,时间5‑20秒。

3.一种权利要求1或2所述方法制备的单一银钯合金纳米线电极。

4.一种权利要求1或2所述方法制备的单一银钯合金纳米线电极应用,其特征在于,用于甲醇的催化。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于纳米电极制备领域,具体涉及单一银钯合金纳米线电极及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 作为未来最有前景的清洁能源之一,直接甲醇燃料电池在过去的几十年里由于其高能量密度,容易储存,工作温度低,环境污染小等优点而广受关注。但由于甲醇的电化学活性比氢至少低3个数量级,因而直接甲醇燃料电池需要解决的关键技术之一是寻求高效的甲醇阳极电催化氧化的电催化剂,提高甲醇阳极氧化的速度,减少阳极的极化损失。
[0003] 尽管铂基催化剂被认为是最有效的甲醇催化剂,但是以铂作为阳极电催化剂时,催化剂表面很容易吸附甲醇氧化过程中产生的一氧化碳中间体,从而导致催化剂中毒。并且铂基催化剂的使用成本高,使得其在大规模商业化生产上面临巨大的挑战。因此需要研发一种更好的催化剂来代替铂基催化剂。
[0004] 许多研究表明,钯基催化剂在碱性介质中催化甲醇具有不错的效果。然而,广泛使用钯基催化剂对直接催化甲醇具有相对较低的催化性能和较差的耐久性。
[0005] 另外,金属一维纳米结构由于其特殊的电化学,热学,光学性能在电子器件制造方面占据重要的角色。其中,银纳米线备受关注,被广泛应用于太阳能电池,柔性光电子,电催化,以及表面增强拉曼散射等领域。
[0006] 目前银纳米线的合成方法有水热合成法,湿化学合成法,多元醇还原法等。尽管这些方法取得了很大的成功,但是制得的银纳米线大多形貌不规则,导电性差,纵横比低,而且在合成过程中总是需要模板来指导银纳米线的生长,并且不能从单根纳米线的角度考察其催化性能。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供单一银钯合金纳米线电极的制备方法,先制备单一银纳米电极,再通过电流置换反应成功制备单一银钯合金纳米线电极。
[0008] 本发明还有一个目的在于提供单一银钯合金纳米线电极。
[0009] 本发明最后一个目的在于提供单一银钯合金纳米线电极在碱性介质中对甲醇的催化的应用。
[0010] 本发明具体技术方案如下:
[0011] 单一银钯合金纳米线电极的制备方法,包括以下步骤:
[0012] 1)制备银纳米线电极;
[0013] 2)将步骤1)制备的银纳米线电极在硝酸钯溶液中浸泡,得到单一银钯合金纳米线电极。
[0014] 步骤1)制备银纳米线电极包括以下步骤:
[0015] 1‑1)将银丝塞入铝硅酸盐毛细管中,并使用环氧树脂胶将毛细管一端封住;
[0016] 1‑2)等环氧树脂胶完全干燥以后,使用激光拉制仪将步骤1‑1)处理后的毛细管拉制成两根尖端是纳米级的探针;
[0017] 1‑3)利用银导电胶将钨丝与银丝相连;
[0018] 1‑4)尖端用金相砂纸进行打磨抛光,得到纳米盘电极。
[0019] 1‑5)将步骤1‑4)得到的纳米盘电极用HF溶液刻蚀,得到银纳米线电极。
[0020] 进一步的,步骤1‑1)中,所述银丝直径25μm,长度为2~3cm;所述铝硅酸盐毛细管外径1.0mm;内径0.64mm。
[0021] 步骤1‑1)中使用环氧树脂胶将毛细管一端封住,这样做的目的是使管子在拉制过程中处于真空状态;
[0022] 步骤1‑2)中激光拉制仪拉制的方法为:设置加热程序参数:温度440℃,速率5,拉力5;按照此加热程序运行40s后冷却20s,重复4个循环;然后在拉制程序下拉制得到2个两根尖端是纳米级的探针,所述拉制程序参数为:温度445℃,速率30,拉力118。
[0023] 步骤1‑3)中尖端依次用400目、800目和2000目的金相砂纸分别进行打磨抛光,得到纳米盘电极。
[0024] 步骤1‑5)中所述HF溶液的制备方法为:将质量浓度40%氢氟酸溶液与水按照体积比1:4配置得到;步骤1‑5)中所述刻蚀,时间5‑20秒;根据实验需要,每根电极刻蚀时间不同,随着刻蚀时间增加,纳米线的长度越来越长。
[0025] 步骤2)中所述硝酸钯的溶液的制备方法为:取0.0133g二水合硝酸钯与33.3μL 15mol/L的分析纯硝酸溶液置于去离子水中,混匀,得到10ml溶液,所得溶液中硝酸浓度
50mM,硝酸钯浓度5mM。加入硝酸的目的是为了更快的使硝酸钯溶解,获得硝酸钯溶液。
[0026] 进一步的,步骤2)中浸泡时间为10‑40min。
[0027] 本发明提供的单一银钯合金纳米线电极通过上述方法制备得到。
[0028] 本发明提供的单一银钯合金纳米线电极的应用,用于甲醇的催化。
[0029] 具体催化方法:将本发明制备的单一银钯合金纳米线电极在氮气饱和的含0.2MKOH和1.0MCH3OH的溶液中进行CV扫描,电位为‑0.8v~0.4v,扫速50mV/s。
[0030] 置换浸泡之后,电极EDS图说明Pd成功置换Ag,电极中含元素银和钯,成功制备银钯合金纳米线电极。根据d波段中心理论,由于Pd 的晶格常数小于Ag 的晶格常数,因此与Ag合金化时,Pd表面的结构将产生拉伸应变。Pd的d带中心会向上移动,从而导致更强的羟基(OHads)吸附能力,并促进金属表面上的甲醇氧化反应。在碱性介质中,MOR(甲醇氧化反应)的决定速率的步骤是通过吸附OHads基团从催化剂表面除去甲氧基中间体。因此,较强的羟基(OHads)吸附能力可以更快地除去中间体并释放更多的活性位点,导致更快的MOR,具有更好的中间耐受性。根据双功能机理理论,与纯Pd相比,由于Ag‑Pd合金中存在Ag,因此水活化势较低,由于活化水可以氧化CO或其他中毒中间产物,因此Pd上的更多活性位得以释放。单一银纳米线电极对甲醇没有催化性能,当通过置换反应与钯形成银钯合金时,由于两者特殊的协同作用以及暴露更多的活性位点,对甲醇具有很好的催化性能。
[0031] 与现有技术相比,本发明通过先制备单一银纳米电极,再通过电流置换反应成功制备单一银钯合金纳米线电极,不需要合成纳米线材料,从而避免合成的纳米线出现形貌不规则,导电性差,纵横比低等问题,同时也不需要模板来指导纳米线的生长。而且,本发明制备的单一银钯合金纳米线电极用于催化甲醇,可以从单根纳米线的角度考察其催化性能,这是其它大部分方法所不具有的,并且本发明制备的单一银钯合金纳米线电极产生的电流密度高。另外,本发明制备的单一银钯合金纳米线电极对甲醇具有优异的催化性能,长期稳定性,以及催化稳定性和去除一氧化碳能力。

实施方案

[0042] 本发明除拉制电极条件为参数所示,其余实验都在室温下进行,本发明所有溶液均需通氮除氧三十分钟达到氮气饱和的状态再使用。
[0043] 实施例1
[0044] 单一银钯合金纳米线电极的制备方法,包括以下步骤:
[0045] 1)制备银纳米线电极:
[0046] 1‑1)将直径25μm,长度为3cm银丝塞入铝硅酸盐毛细管中,并使用环氧树脂胶将毛细管一端封住;
[0047] 1‑2)等环氧树脂胶完全干燥以后,使用激光拉制仪将步骤1)处理后的毛细管拉制成两根尖端是纳米级的探针;用激光拉制仪拉制方法为:设置加热程序参数:温度440℃,速率5,拉力5;按照此加热程序运行40s后,冷却20s,再按照上述加热程序运行40s,冷却20s,然后按照上述加热程序运行40s,冷却20s,最后再按照上述加热程序运行40s,冷却20s;然后在拉制程序下拉制得到2个两根尖端是纳米级的探针,所述拉制程序参数为:温度445℃,速率30,拉力118。
[0048] 1‑3)利用银导电胶将直径为250μm,长度为8cm的钨丝与步骤2)拉制后的探针另一端的银丝相连;
[0049] 1‑4)尖端依次用400目,800目和2000目的金相砂纸分别进行打磨抛光10s,得到纳米盘电极。
[0050] 1‑5)将步骤1‑5)得到的纳米盘电极用HF溶液刻蚀,分别刻蚀5s、8s、14s和18s,得到银纳米线电极。所述HF溶液制备方法为:将浓度40%氢氟酸溶液与水按照体积比1:4配置得到;
[0051] 2)取0.0133g二水合硝酸钯与33.3μL 15mol/L的分析纯硝酸溶液,置于去离子水中,混匀,得到10ml硝酸钯溶液,将步骤1)制备的银纳米线电极置于上述所得硝酸钯溶液中浸泡0min、10min、20min、30min和40min,浸泡的过程中,发生置换反应,得到单一银钯合金纳米线电极。浸泡时间不同,置换程度不同,得到的不同含量的单一银钯合金纳米线电极。
[0052] 将步骤1‑5)中刻蚀不同的时间,制备得不同长度的银纳米线电极置于含5mM Ru(NH6)Cl3和0.2KNO3溶液中进行电化学表征,在0.1~‑0.4V电位下进行循环伏安扫描,扫描速度为50mV/s,结果如图2,图中0nm长度指的是没有刻蚀的银纳米线电极,即银纳米盘电极。从图2中可以看出,CV曲线呈现理想的S型,正扫与负扫重合的不错,表示其充电电流小,该现象与之前的报道现象一致。并且随着银纳米线长度的增加,循环伏安的极限扩散电流也随之增加。电极的半径可以通过极限扩散电流公式(I)id=4nFDCb r0来计算,id是电极的极限扩散电流,n是电子转移数目,F是法拉第常数,Cb是氧化还原物质的浓度,D是扩散系数,r0是电极的半径。由公式可以计算银电极未刻蚀前的半径为34nm。在知道了电极的半径后,银纳米电极刻蚀后的线的长度可以结合下面公式(2)进行计算。
[0053]
[0054] 其中,iqss为线电极的稳态极限扩散电流,n是电子转移数目,F是法拉第常数,A是电极几何面积,r0是电极的半径(与公示I中的a相同,均是至),D是扩散系数,Cb是氧化还原2
物质的浓度,τ(τ=4Dt/r0),公示(III)可以从时间分量t(t=RT/Fv)公示(IV)求得,t是时间分量,D是扩散系数,R是气体常数,T是温度,F是法拉第常数,v是扫速。因此结合两个公式,可以计算银纳米线的长度分别为35nm(刻蚀5s)、76nm(刻蚀8s)、143nm(刻蚀14s)和
197nm(刻蚀18s)。根据公式(I),由电极在六氨合辽溶液中得到的稳态极限扩散电流可计算半径r0,再将半径r0带入公式(II)可计算电极的长度(电极几何面积通过半径r0和长度计算的),除了稳态极限扩散电流,半径,长度外,其余都是已知的,因此从图中得到扩散电流即可结合公式计算半径和长度。从图3可以看出通过COMSOL软件模拟的图与实验获得的图基本符合。
[0055] 制备银纳米线电极,按照实施例1参数进行,不同的是控制步骤1‑5)中刻蚀时间为15s,将上述相同条件下获得的银纳米线电极。分别置于含50mM HNO3和5mMPd(NO3)2的溶液中分别浸泡0min、10min、20min、30min和40min,获得不同银钯含量的电极;这些电极在氮气饱和的0.2M KOH溶液中的CV图如图4所示,电位窗口‑0.8v~0.4v,扫描速度50mV/s。获得不同银钯含量的单一银钯合金纳米线电极。从电极在碱性介质中的CV图(图4)可以看出,在~
0.2V是银的还原峰,~‑0.2V是钯的氧化物的还原峰。随着浸泡时间的增加,可以看出银的还原峰逐渐减小,钯氧化物的还原峰逐渐增大,表明金属钯成功的通过电流置换反应修饰到银纳米线的表面。
[0056] 置换时间10min的单一银钯合金纳米线电极EDS图如图10所示,说明浸泡置换之后,Pd成功置换Ag,电极中含元素银和钯,成功制备银钯合金纳米线电极。
[0057] 图5是通过置换浸泡时间而得到的不同含量的单一银钯合金纳米线电极以及负载钯碳的玻碳电极在碱性介质中对甲醇的催化性能图,电位窗口‑0.8v~0.4v,扫描速度50mV/s。从图中可以看出,正扫过程中由于甲醇氧化在~‑0.1v出现一个氧化峰,在回扫过程也出现了一个较小的氧化峰,该峰是由于甲醇氧化过程中产生的中间体(一氧化碳)引起的。评价催化甲醇性能的指标主要有三个,即起始电位,电流密度,前扫峰电流与回扫峰电流的比值If/Ib。从图6可以看出,当银纳米线电极置换时间为30min时,催化甲醇具有最低的起始电位和最大的If/Ib,同时它的电流密度也比较大。综合比较,电极浸泡最优时间为
30min。同时,本发明也比较了负载商业钯碳催化剂的玻碳电极与所制备的单一银钯合金纳米线电极催化甲醇效果比较,从图可以看出,无论是电流密度,起始电位,还是If/Ib,不同含量的单一银钯纳米线电极均优于负载钯碳的玻碳电极。从而可知,单一银钯合金纳米线电极具有优异的催化甲醇氧化的性能。
[0058] 图7是利用计时安培法在‑0.2v电位下银纳米线电极浸泡30min获得的单一银钯合金纳米线电极,与负载商业钯碳催化剂的玻碳电极在氮气饱和的含0.2MKOH和1.0MCH3OH溶液中对甲醇氧化的长期稳定性性能测试。从图中可以看出,单一银钯合金纳米线电极的催化电流在前100S内快速衰减,然后缓慢达到稳态电流。然而,负载钯碳催化剂的玻碳电极的电流在前20S内就基本下降至稳态电流,且单一银钯合金纳米线电极的电流一直高于玻碳电极,说明本发明制备的单一银钯合金纳米线电极催化甲醇的能力具有很好的长期稳定性。
[0059] 图8是单一银钯合金纳米线电极(浸泡30min)在氮气饱和的0.2MKOH和1.0MCH3OH溶液中催化甲醇的稳定性测试。电位窗口‑0.8v~0.4v,扫描速度50mV/s。从CV曲线可以看出,第一圈与第五百圈的CV曲线基本重合,第五百圈甲醇氧化峰电流相对第一圈仅下降了7.3%,而催化甲醇过程中产生的一氧化碳的氧化峰电流基本不变,表明本发明制备的单一银钯合金纳米线电极具有优异的稳定性。
[0060] 图9是考察浸泡30min获得的单一银钯合金纳米线电极与负载商业钯碳催化剂的玻碳电极去除一氧化碳的能力的LSV曲线。电位窗口‑0.8v~0.4v,扫描速度50mV/s。从图中可以看出,两种催化剂都显示出一氧化碳的氧化峰。然而,单一银钯合金纳米线电极氧化一氧化碳的起始电位(‑0.35v)要比商业钯碳催化剂修饰的玻碳电极(‑0.14v)更负,表明前者比后者具有更强的去除一氧化碳的能力。

附图说明

[0032] 图1为本发明单一银钯合金纳米线电极的制备示意图;
[0033] 图2为本发明制备的不同长度的银纳米线电极在含5mM Ru(NH6)Cl3和0.2KNO3溶液中的CV图;
[0034] 图3为不同长度银电极的COMSOL模拟图;
[0035] 图4为不同银钯含量的单一银钯合金纳米线电极在0.2M KOH溶液中的电化学表征;
[0036] 图5为不同银钯含量的单一银钯合金纳米线电极及商业钯碳催化剂在含0.2MKOH和1.0MCH3OH溶液中催化甲醇性能图;
[0037] 图6为电极不同置换时间与商业钯碳催化剂的性能比较图;图中,Onset potential是指氧化甲醇的起始电位,If:Ib是指前扫的峰电流与后扫的峰电流之比;
[0038] 图7置换时间30min的单一银钯合金纳米线电极与负载商业钯碳催化剂的玻碳电极在氮气饱和的含0.2MKOH和1.0MCH3OH溶液中对甲醇氧化的长期稳定性性能测试;
[0039] 图8为置换时间30min的单一银钯合金纳米线电极第一次催化甲醇与第五百次的CV曲线的对比;
[0040] 图9为置换时间30min的单一银钯合金纳米线电极与负载商业钯碳催化剂的玻碳电极去除一氧化碳的能力的LSV曲线;
[0041] 图10是置换时间10min的单一银钯合金纳米线电极的EDS图。
版权所有:盲专网 ©2023 zlpt.xyz  蜀ICP备2023003576号