納米多孔金屬薄膜的制備與電催化性能.pdf

1、近年來(lái)，納米多孔金屬因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)、性能成為了納米材料家族中的重要一員，并在電子、光學(xué)、催化工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)一步優(yōu)化、發(fā)展這類材料的制備方法，研究它們的結(jié)構(gòu)、性能，拓展它們的應(yīng)用對(duì)納米材料科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用都具有重要意義。由于工業(yè)界對(duì)新型能源材料，如高效率的燃料電池催化劑的迫切需求，本論文致力于制備超低金屬載量的納米多孔Au、Pt/Au、Pd/Au薄膜，并研究它們的結(jié)構(gòu)與電催化性能，探索它們?cè)陔娀瘜W(xué)傳感及燃料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用前景

2、。主要結(jié)果如下：
　　 1.以Au/Ag合金薄膜為前軀體，通過(guò)在濃硝酸中腐蝕溶解掉Ag，成功制備了納米多孔Au(NP-Au)薄膜。制備的NP-Au薄膜的厚度約為100 nm，其金屬載量約為0.1 mg/cm2。以NP-Au為基底，制備了納米多孔的Pt/Au(NP-Pt/Au)薄膜，我們采用化學(xué)鍍和欠電位沉積加置換的方法分別在NP-Au表面均勻地修飾上Pt原子層，通過(guò)控制反應(yīng)條件，其厚度可以從次原子層到數(shù)個(gè)原子層內(nèi)得到精確調(diào)控。成

3、分分析表明該薄膜的Pt載量從1到25μg/cm2間得到精確調(diào)控。運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)研究了NP-Au和NP-Pt/Au薄膜的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們具有三維雙連續(xù)的海綿狀結(jié)構(gòu)，使大量活性原子暴露在表面。研究了不同化學(xué)環(huán)境下Pt在NP-Au表面的生長(zhǎng)過(guò)程，HR-TEM、電化學(xué)的結(jié)果表明Pt在NP-Au表面以島狀的方式生長(zhǎng)。利用循環(huán)伏安法(CV)研究了這些納米多孔金屬薄膜的基本電化學(xué)行為，并探索了NP-A

4、u對(duì)NO2-氧化的電催化性能，發(fā)現(xiàn)其對(duì)該反應(yīng)具有高靈敏的響應(yīng)。計(jì)時(shí)電流的研究表明NO2-在NP-Au電極上從1μM到1 mM都具有良好的線性關(guān)系，表明NP-Au薄膜可能在電化學(xué)傳感方面得到應(yīng)用。
　　 2.系統(tǒng)研究了NP-Pt/Au薄膜對(duì)甲醇、甲酸的電氧化，氧還原等重要電化學(xué)反應(yīng)的催化性能，并以該薄膜為催化劑進(jìn)行了質(zhì)子交換膜燃料電池測(cè)試。以NP-Pt/Au薄膜為陽(yáng)極催化劑，利用CV等方法評(píng)估了不同Pt載量的NP-Pt/Au薄膜的

5、電催化活性，發(fā)現(xiàn)高Pt載量的NP-Pt/Au薄膜的催化特性與商業(yè)Pt/C相似，但具有更高的本征活性，低Pt載量的NP-Pt/Au薄膜則表現(xiàn)出比Pt/C更高的質(zhì)量比催化活性。利用SEM、HR-TEM、X射線光電子能譜(XPS)、電化學(xué)CO掃除等表面科學(xué)手段研究了該薄膜的表面結(jié)構(gòu)、性能，分析了其高催化活性的起因。將該薄膜作為陽(yáng)極催化劑，進(jìn)行了H2/空氣，直接甲醇、甲酸燃料電池測(cè)試，探索了其理想的工作條件參數(shù)，探討了其工業(yè)應(yīng)用的可能。

6、　　 3.探索了NP-Pt/Au薄膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其是其在低溫加熱時(shí)的結(jié)構(gòu)、性能的演化。將具有不同Pt載量的NP-Pt/Au薄膜在100到400℃之間加熱不同時(shí)間，并利用SEM、HR-TEM、XPS和電化學(xué)技術(shù)研究了其結(jié)構(gòu)的演化及表面原子的化學(xué)狀態(tài)，探討了溫度等因素對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明NP-Pt/Au薄膜在300℃仍能保持其原有的納米多孔結(jié)構(gòu)，但其表面的Pt納米粒子與Au襯底之間發(fā)生了相互擴(kuò)散并形成了表面合金薄層，使得其表面原子

7、的排列和化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變。討論了結(jié)構(gòu)演化對(duì)其催化性能的影響，電化學(xué)測(cè)試顯示發(fā)生表面Pt原子重排的NP-Pt/Au薄膜對(duì)甲酸電氧化具有更高的催化活性。
　　 4.制備了納米多孔Pd/Au(NP-Pd/Au)薄膜。通過(guò)發(fā)展、優(yōu)化NP-Pt/Au的制備工藝，成功在將Pd沉積到NP-Au表面。XPS結(jié)果顯示其表面Pd為金屬態(tài)，HR-TEM研究表明Pd原子層在NP-Au表面為層狀模式的外延生長(zhǎng)，從而形成了連續(xù)核殼結(jié)構(gòu)的NP-Pd/