一種能夠穩定分散在水中的釕納米顆粒的製備方法

2023-10-17 01:35:59

專利名稱：一種能夠穩定分散在水中的釕納米顆粒的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種製備無保護劑存在就能夠穩定分散在水中的核殼結構的釕納米材 料，屬於納米材料技術領域。
背景技術：
金屬納米顆粒具有不同於金屬原子和體相金屬的特殊的物理和化學性質，因而廣泛應用 於催化工業、微電極反應以及生物工程等領域。近年來，採用不同方法製備高分散、尺寸分 布窄的金屬膠體並將其有效利用，已成為許多納米材料製備工作者努力的目標。通常情況下， 納米顆粒的製備過程是利用各種合成或天然的表面活性劑作為保護劑，使用醇、檸檬酸鹽、 硼氫化鈉等還原劑將貴金屬離子還原得到納米膠體。其中保護劑添加的目的是使得納米顆粒 能夠穩定且均勻分散在溶液中[Materials Chemistry and Physics 111(2008) 98-105]。這些物質的 加入雖然會有效地穩定納米粒子，但是對反應物在顆粒表面的有效吸附、化學反應的發生以 及產物的脫附起到了抑制作用，因此在使用納米材料時就不得不先將其脫離保護劑體系。
目前將貴金屬納米顆粒高分散地負載在載體上，是將納米顆粒充分利用的有效方法，負
載方法有兩種利用載體直接吸附膠體中的納米顆粒；或者先將前驅體浸漬到介孔材料的孔 道裡，然後原位還原得到納米顆粒，這種方法可以通過調節孔道的尺寸實現對納米顆粒尺寸 的控制。這些方法雖然可以實現納米顆粒的固載化，保持了納米顆粒的粒徑分布，並且解決 了催化劑不易與產物分離和重複使用等問題，但是這些方法通常對載體有很高要求。普通無 機氧化物載體必須進行表面修飾或具備特殊織構性質才能實現其對納米材料吸附的功能。而 這種被修飾的載體表面很難保證在應用於催化反應時，催化劑的活性不受影響。如於偉泳等
人[Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 142(1999) 201-211]把八1203等載體預先用三苯基 膦(TPP)的乙醇溶液處理3小時，然後加到PVP作保護劑的Pt溶膠中攪拌24小時；過濾 後再分別用水、甲苯/乙醇的混合液衝洗；真空乾燥後得到了負載Pt的催化劑。雖然催化劑上 的納米Pt粒徑保持良好，但是由於經過了多步處理程序，外部環境的變化可能已經使得納米 顆粒的結構和化學組成等性質已經發生了變化，並且過濾洗滌過程會造成貴金屬納米顆粒的 流失，造成材料浪費。對於載體的處理過程不僅過於複雜，而且會產生大量汙染物。另外， 目前已公開並可以利用的孔道尺寸可調的孔材料較少，如果利用介孔材料調節納米顆粒的尺 寸，就需要先合成出孔道尺寸可調的孔材料，這無疑又給納米材料的合成增添一道難題。 釘突出的特點就是具有多種價態，並且釕及其氧化物具有較好的氧化還原能力，從而廣泛應用於催化和超電容器領域。另外，與其他貴金屬如鉑、金、銠相比其價格較低，有利於 工業應用。基於以上分析，本發明的對象鎖定為無任何保護劑存在的條件下，穩定高分散的 釕納米顆粒的製備，具體內容如下。

發明內容
本發明目的是為了克服納米溶膠體系在應用上的不足，獲得無需保護劑就可以穩定分散 在水中的釕納米顆粒。另外一個目的是為所有高分散於水中的貴金屬納米顆粒提供一種過程 簡單，成本低，重複性好，綠色無汙染的製備方法。本發明是利用常溫常壓電化學合成方法， 通過實驗條件的調變，製備出了一種核殼結構的材料，是二氧化釕作為殼包覆釕納米晶核的 結構。由於二氧化釕是親水性物質，因此納米顆粒能夠穩定分散在水中，並且氧化物的包覆 阻斷了金屬釕納米晶的聚合。這種可以穩定存在於水中的納米顆粒材料最大的優勢在於，可 以直接負載在任何載體上進行應用，從而避免了由於去處保護劑造成的汙染和材料浪費，以 及去除外加保護劑後顆粒發生再聚集、織構變化等問題。本製備方法具有反應速度快且易操 作，收益高且重複性好，製作成本低且綠色無汙染的優點。
本發明所採用的技術方案是可溶性無機釕化合物作為製備釕納米顆粒的來源；KN03 作為主要支持電解質，其主要作用是避免在電解過程中由於電解液成分的變化引起的槽電阻 的變化，從而使得電解體系穩定，保證製備出的納米顆粒尺寸均一；採用旋轉圓盤電極作為 工作電極，其目的是使在此電極上產生的納米顆粒能夠很快分散到溶液體相中，避免了納米 顆粒在電極附近富集、生長和團聚。在電解過程中，控制外加電壓使得在陰極Ri^+被還原的 同時有氫氣析出，在陽極上其他陰離子比OH—優先被氧化，所以電解液的pH值會增加。陰極 產生的釕納米顆粒被分散到溶液中後，會很快被溶液中的R^+包圍，Ri^+與增加OH—結合生 成Ru(OH)3，而Ru(OH)3是親水性的可以很好地使納米顆粒分散在水中的同時，抑制了內部 納米Ru單質的聚合，使納米Ru較好地分散在水中而無需其他保護劑的穩定作用。
具體實施例方式
為了更清楚地說明本發明，列舉以下實施例，但其對本發明的使用範圍無任何限制。
釕納米顆粒的製備方法包括如下步驟
a. 電解液的配製
1) 將無水RuCl3配製成濃度為5xl0—3 mol U1的溶液；
2) 取3.0ml上述溶液至超純水中，配成30.0ml電解液；
3) 取0.30gKNO3溶解至上述溶液中，此時溶液pH為2.86;
4) 溶液在攪拌的條件下通惰性氣體0.5h，目的是趕走溶液中溶解的空氣。
b. 電解過程的控制1) 電解採用兩電極體系直徑為3mm的旋轉鉑片電極作陰極，長為lcm、直徑 為lmm的鉑絲作陽極，電極轉速控制在500-2000 rpm範圍內；
2) 電解過程在恆電勢模式下進行，外加電勢0.92V (陽極相對於陰極)；
3) 電解過程進行10min;
4) 電解過程在Ar氣氛下進行。 c.產物處理
實施例1
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，加入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。 旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作陽極，電極轉速控制在500 rmp，恆電勢電解，控制pH值 為3.26。得到的溶液加入IO ml高純水，溶液超聲分散，得到的顆粒中核的平均粒徑為 2.0 nm，見圖3(a)。實施例2
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，加入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。 旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作陽極，電極轉速控制在1000 rmp，恆電勢電解，控制pH 值為3.26。得到的溶液加入10 ml高純水，溶液超聲分散，得到的顆粒中核的平均粒徑 為1.95 nm，見圖4。實施例3
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，加入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。 旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作陽極，電極轉速控制在1500 rmp，恆電勢電解，控制pH 值為3.26。得到的溶液加入IO ml高純水，溶液超聲分散，得到的顆粒中核的平均粒徑 為1.89 nm，見圖3(b)。實施例4
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，加入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。 旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作陽極，電極轉速控制在2000 rmp，恆電勢電解，控制pH 值為3.26。得到的溶液加入IO ml高純水，溶液超聲分散，得到的顆粒中核的平均粒徑 為1.86 nm，見圖3(c)。對比例1
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，力fl入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。 旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作陽極，電極轉速控制在1000 rmp，恆電流電解，得到的產 物見圖6(a)對比例2
在30 ml 0.5 mM的RuCl3溶液中，加入0.30g KN03,溶液在攪拌的條件下通惰性氣體。鉑片作陰極，鉑絲作陽極，恆電勢電解，得到的產物見圖6(b)


下面結合附圖對本發明進一步說明。 圖1是本發明的原理圖 圖2是均勻分散的納米溶液的照片 圖3和圖4是納米顆粒的高分辨透射電鏡圖 圖5是納米顆粒的元素分析結果
圖6 (a)是恆電流電解產物；(b)是固定電極電解體系產物
圖1中，金屬釕納米顆粒在由陰極分散到溶液體相中時，由於貴金屬納米顆粒表面帶有負
電荷所以會吸附溶液中的釕離子(O;由於電解液pH值增加，釕離子會與電解過程中產生 的OIT結合生成一層親水性的Ru(OH)3保護膜(2);在電解液中加入一定量的水後，Ru(0H)3 保護膜被氧化成Ru02 (3)。圖2展示的是均勻分散在水中的釕納米顆粒的照片，該溶液在冰 箱內放置3天後，仍能夠保持其均一性。
圖3是不同轉速條件下(a) 500rpm (b) 1500rpm (c) 2000 rpm得到的納米顆粒及其粒 徑分布。
圖4是1000 rpm條件下得到的納米顆粒高分辨電鏡圖及其粒徑分布。高分辨電鏡圖表明 作為核的金屬釕是單晶，其晶面間距為0.24，能與六方密堆積Ru [JCPDS no. 06-0663]的(1000) 面間距0.234吻合。而作為殼的Ru02是無定形態，沒有衍射條紋。
圖5是對樣品進行元素分析得到的結果。釕與氧的摩爾數之比為l，說明每個納米顆粒中 金屬釕與二氧化釕的摩爾比為1。
權利要求
1、一種能夠在無任何保護劑存在的條件下穩定分散在水中的釕納米顆粒的製備方法，其特徵在於它是用電化學沉積法製備的釕納米顆粒，顆粒為核殼結構，核為金屬釕納米晶，殼為RuO2。
2、 根據權利要求1所述的納米釕顆粒，其特徵在於製備納米顆粒的前驅體為可溶性無機 三價釕源。
3、 根據權利要求1所述的納米釕顆粒，其特徵是要採用旋轉鉑片電極作陰極，鉑絲作 陽極。
4、 根據權利要求1所述的納米釕顆粒，其特徵是電解過程要控制pH值在2.86 3.30。
全文摘要
本發明公開了一種在無任何保護劑存在的條件下，能夠穩定分散在水中的釕納米顆粒的製備方法。其特徵在於它是通過控制電化學沉積過程，製備出了核殼結構釕納米顆粒，核為金屬釕納米晶，殼為親水性的二氧化釕。
文檔編號C25C5/02GK101435090SQ20081023942
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者博 張, 蓮 王, 王少莘, 泓 賀 申請人:中國科學院生態環境研究中心