Pt-Fe中空纳米球的制备

时间：2024-07-28

王帅

（陕西国防工业职业技术学院 710300）

0 引言

Pt基纳米材料在燃料电池、电子器件、能源化工和环境工程等领域表现出十分突出的催化性能，因而受到科学界的广泛关注。但实际应用中存在Pt的存储量低、使用成本高等问题。由此，Pt基纳米材料的研究重点由单纯的形貌合成向降低材料成本、提高反应效率过渡。

Pt纳米材料因其优异的催化性能被广泛研究，尤其是一些特殊结构如中空纳米球、核壳结构等。而中空纳米球[1]有高比表面积、低密度、独特电子结构等特点，因为这些特殊的结构，使得它们在燃料、生物、催化、药物输送等方面有很大应用前景。

合成Pt基纳米材料一般有两种常用的方法，分别是热分解法和共还原法。

1.热分解法

热分解法是指在高温油相中热分解五羰基金属化合物的同时还原乙酰丙酮铂(II)，还原剂是1，2-烷二醇，油酸和油胺是常用的表面活性剂，来制备 Pt-M 纳米颗粒。

热解法制备的纳米材料结构完整好、尺寸均匀、化学性质好，不过反应温度高，在油相中进行的，不利于后面的水相催化。

2.共还原法

共还原法是同时还原M盐和Pt盐。用多元醇还原的比较多，比如三缩四乙二醇、十六烷二醇、甘醇，通常用来还原M(acac)2 或者 M(acac)3 和Pt(acac)2，制备Pt-M纳米材料，[2-4]相比MCl2，M(acac)3要容易还原的多，所以用温和的醇还原剂就可以。这种方法更简单，便捷。[5]

共还原法的反应条件温和，制备的纳米材料尺寸比较均匀，不过要用有机试剂做溶剂。

目前，都在尝试在水相中进行Pt-M纳米材料的制备和合成，水相中存在尺寸不均匀、分布不均等问题，本文拟在前面研究基础上，采用特定的表面活性剂和还原剂在水相中一步法合成Pt-M纳米材料。

1 材料制备和表征

1.1 试验用品

电子天平赛多利斯科学仪器有限公司真空干燥箱上海安亭科学仪器厂电动搅拌机上海同乐仪器有限公司超声波清洗器高速离心机上海安亭科学仪器厂数显恒温不锈钢水浴锅上海比朗仪器有限公司H2PtCl6·6H2O 国药集团化学试剂有限公司FeCl2·4H2O 上海强顺化学试剂有限公司NaBH4 国药集团化学试剂有限公司PVP 上海强顺化学试剂有限公司

1.2 试剂的准备

（1）制备1wt%的PVP溶液；（2）40mM的FeCl2溶液；（3）80mM的NaBH4溶液；(4)40mM H2PtCl6溶液。

1.3 纳米材料的制备

实验步骤：（1）准备一只三颈圆底烧瓶；（2）在瓶中加入1wt%的PVP溶液，在机械搅拌下加入40mM的FeCl2溶液；（3）继续搅拌1min，并逐滴滴加 80mM的NaBH4(新鲜制备)(过量的)溶液；（4）等出现大量的深灰色沉淀，立即滴加 40mM H2PtCl6溶液，溶液颜色很快由浅灰色变黑色，同时瓶底的沉淀物颜色也由深灰色变成黑色；（5）继续搅拌，等溶液内气泡完全消失，用高速离心机离心，再用去离子水洗涤，重复以上过程3-4次。

1.4 纳米材料的表征

TEM表征:将离心过的的黑色沉淀用超纯水洗涤 2-3次,分散在无水乙醇中,滴在有碳膜的铜网上,在密闭空间内干燥。

元素分析:使用TEM的mapping模式，对纳米材料的元素进行分析。

2 结果与讨论

图1.1 (a)和(b)是制备的黑色沉淀的TEM图，可以看出，制备的材料是一种圆球状纳米结构，尺寸300nm左右，通透性较好，中空结构，边缘比较整齐，结构完整的球形。整体的分散性较差，周围的小颗粒较多。

图1.1 (c)是对其中一个纳米结构进行的元素分析，橙色图片的是Fe的K边，分布比较少，很明显是在球形的外壳处，里面基本没有分布；黄色图片和绿色图片是Pt的L边和M边，分布比较均匀，也是分布在球形的外壳，Fe的K边相比，基本重合、分布的稍微外侧点。红色图片为O的K边，分布全部在外侧和周围环境中，可以得出，在纳米材料制备过程中，部分金属也可能是全部金属被氧化了。

从TEM表征可以得出部分结论，合成的黑色沉淀是一种有300nm尺寸的中空球状纳米结构，Fe元素和Pt元素分布在球形材料的外壳，Fe在内侧，Pt在外侧包裹。这种类型的纳米结构，通常用来作为载体材料，主要应用在催化、过滤、生物、医药等领域。

图1.1 (a)和(b)为Pt-Fe中空纳米球的TEM图。(c)为中空纳米球的元素分析谱

从实验的过程，我们可以得出，深灰色沉淀是生成的Fe的单质以及它的氧化物，由于加入的NaBH4是过量的，所以后面的加入的 H2PtCl6溶液，会还原出来Pt金属单质，暴露在空气中，也有部分会被氧化，符合mapping中O元素的分布，同时也符合Fe元素分布靠内，Pt元素分布靠外。