基于生物分子模板的高活性Pt基纳米催化剂的可控制备及性能研究

针对目前贵金属催化剂消耗量大、有效利用率低的现状，开发一种制备过程简单、有效实现粒径可控的、高分散高稳定性的Pt基纳米粒子催化剂的制备方法，对于降低催化剂成本具有重要意义。本项目拟选取高度对称的纳米尺度的生物结构（如病毒和蛋白质分子）作为催化剂材料制备的载体，通过与化学体系共孵化，后进行离心、还原等处理，在生物分子表面的活性位点定位生长Pt纳米粒子催化剂，利用生物分子自身的结构特征和其具有的严格的分子识别功能精确调控催化剂纳米粒子的形态、尺寸及分布。通过添加其它资源丰富的过渡金属（如Sn、Cr、Co等）制备特定大小和分散排布的Pt基二元或多元合金催化剂，采取统一的电化学催化氧化判断标准检验样品的催化性能。改变添加过渡金属的种类和含量,制备高活性的Pt基合金催化剂、减少Pt资源的消耗,为稀有金属的节约做出一定贡献。

贵金属铂（Pt）因具有高的催化活性、优良的导电性和高温抗氧化和抗腐蚀等性能而作为催化剂广泛应用于燃料电池、石油化工、汽车尾气处理以及传感器的制备等领域。但由于Pt储量少、价格昂贵且不断攀升，如何减少Pt的使用量，最大限度地提高其性价比成为科学研究的热点。本项目选用来源广泛的生物分子作为载体或者模板剂，利用生物分子独特的结构特征和分子识别功能调控Pt基纳米粒子的尺寸、形态及分布，合成出一系列特定结构的具有高催化活性和稳定性的Pt基纳米催化剂。主要研究内容和结果归纳为：（1）选定具有二十面体结构的病毒分子-T4噬菌体及两种蛋白分子（胰岛素和糜蛋白酶）作为载体及控制模板剂，对生物分子进行修饰和组装，发展了构造空壳结构及长纤维结构生物分子模板的方法；（2）基于上述生物分子模板辅助，控制得到小尺寸（2-5nm）、单分散稳定排布的二维/三维纳米粒子阵列、核-壳结构、一维纳米粒子链和纳米线结构的Pt纳米催化剂。其中得到的Pt纳米线直径仅为1.8nm、长度达数十微米，这种长径比超过104 Pt纳米线的合成在国际上尚属首例；（3）通过添加其它金属和Pt构成合金，制备了小尺寸、单分散的Pt-Pd、Pt-Rh纳米粒子催化剂、Pt-Co@T4 壳-核结构催化剂以及Pt-Pd纳米粒子链和超高长径比Pt-Rh纳米线，减少Pt的使用量达20%-40%，降低了催化剂的经济成本；（4）调控试验参数，研究了各种因素对Pt基纳米粒子催化剂制备及组装的影响，模拟并推导了生物分子模板的作用机理和控制规律；（5）采取循环伏安法和甲醇氧化法等测定了各种结构Pt基纳米催化剂的催化活性和稳定性。结果显示：具有超高长径比纳米线结构的Pt及Pt基合金催化剂具有优良的电化学特性，其对甲醇氧化的催化活性相对于市售铂碳提高了18-60 %，稳定性提高近6倍。这种一维线性的各向异质结构为电化学催化剂提供了独特的杰出的优异性能，使其可以在较长时间内发挥催化活性并且具有较好的稳定性，这在燃料电池应用领域当中具有重要意义。该项目系统研究了几种生物分子作为模板合成Pt基纳米催化剂材料，为高性价比催化剂的可控合成提供新思路和理论基础。