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纳米多孔金属薄膜的制备与电催化性能

葛性波  
【摘要】:近年来,纳米多孔金属因为其独特的结构、性能成为了纳米材料家族中的重要一员,并在电子、光学、催化工业中得到了广泛的应用。进一步优化、发展这类材料的制备方法,研究它们的结构、性能,拓展它们的应用对纳米材料科学及工业应用都具有重要意义。由于工业界对新型能源材料,如高效率的燃料电池催化剂的迫切需求,本论文致力于制备超低金属载量的纳米多孔Au、Pt/Au、Pd/Au薄膜,并研究它们的结构与电催化性能,探索它们在电化学传感及燃料电池等领域的应用前景。主要结果如下: 1.以Au/Ag合金薄膜为前躯体,通过在浓硝酸中腐蚀溶解掉Ag,成功制备了纳米多孔Au (NP-Au)薄膜。制备的NP-Au薄膜的厚度约为100 nm,其金属载量约为0.1mg/cm2。以NP-Au为基底,制备了纳米多孔的Pt/Au (NP-Pt/Au)薄膜,我们采用化学镀和欠电位沉积加置换的方法分别在NP-Au表面均匀地修饰上Pt原子层,通过控制反应条件,其厚度可以从次原子层到数个原子层内得到精确调控。成分分析表明该薄膜的Pt载量从1到25μg/cm2间得到精确调控。运用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)研究了NP-Au和NP-Pt/Au薄膜的结构,发现它们具有三维双连续的海绵状结构,使大量活性原子暴露在表面。研究了不同化学环境下Pt在NP-Au表面的生长过程,HR-TEM、电化学的结果表明Pt在NP-Au表面以岛状的方式生长。利用循环伏安法(CV)研究了这些纳米多孔金属薄膜的基本电化学行为,并探索了NP-Au对NO2-氧化的电催化性能,发现其对该反应具有高灵敏的响应。计时电流的研究表明NO2-在NP-Au电极上从1μM到1mM都具有良好的线性关系,表明NP-Au薄膜可能在电化学传感方面得到应用。 2.系统研究了NP-Pt/Au薄膜对甲醇、甲酸的电氧化,氧还原等重要电化学反应的催化性能,并以该薄膜为催化剂进行了质子交换膜燃料电池测试。以NP-Pt/Au薄膜为阳极催化剂,利用CV等方法评估了不同Pt载量的NP-Pt/Au薄膜的电催化活性,发现高Pt载量的NP-Pt/Au薄膜的催化特性与商业Pt/C相似,但具有更高的本征活性,低Pt载量的NP-Pt/Au薄膜则表现出比Pt/C更高的质量比催化活性。利用SEM、HR-TEM、X射线光电子能谱(XPS)、电化学CO扫除等表面科学手段研究了该薄膜的表面结构、性能,分析了其高催化活性的起因。将该薄膜作为阳极催化剂,进行了H2/空气,直接甲醇、甲酸燃料电池测试,探索了其理想的工作条件参数,探讨了其工业应用的可能。 3.探索了NP-Pt/Au薄膜的结构稳定性,尤其是其在低温加热时的结构、性能的演化。将具有不同Pt载量的NP-Pt/Au薄膜在100到400℃之间加热不同时间,并利用SEM、HR-TEM、XPS和电化学技术研究了其结构的演化及表面原子的化学状态,探讨了温度等因素对其结构的影响。结果表明NP-Pt/Au薄膜在300℃仍能保持其原有的纳米多孔结构,但其表面的Pt纳米粒子与Au衬底之间发生了相互扩散并形成了表面合金薄层,使得其表面原子的排列和化学状态发生了明显的改变。讨论了结构演化对其催化性能的影响,电化学测试显示发生表面Pt原子重排的NP-Pt/Au薄膜对甲酸电氧化具有更高的催化活性。 4.制备了纳米多孔Pd/Au (NP-Pd/Au)薄膜。通过发展、优化NP-Pt/Au的制备工艺,成功在将Pd沉积到NP-Au表面。XPS结果显示其表面Pd为金属态,HR-TEM研究表明Pd原子层在NP-Au表面为层状模式的外延生长,从而形成了连续核壳结构的NP-Pd/Au薄膜。探索了该薄膜的基本电化学性质及在酸性介质中对甲酸的电催化性能,CV测试结果表明NP-Pd/Au薄膜的电催化活性比商业Pd/C催化剂的电催化活性提高了两倍多。并以该薄膜为阳极催化剂进行了直接甲酸燃料电池测试。


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