新型过渡金属纳米材料阵列的制备及其电催化和传感应用研究

发布时间：2020-03-23 19:36

【摘要】：材料发展对社会进步和生产力的提高起决定性作用。当今,人们对信息、能源、环境和生物技术等领域中的材料提出了新的、更高的要求。纳米材料本身具有很多优异的特性而被应用于各个方面,比如说比表面积大、导电性高、机械性能强、催化活性高、吸附能力强、生物相容性良好等优点,在能源存储与转换、催化、分析传感、生物医学等领域应用广泛。随着人类对能源需求的迅速增加以及化石燃料的过度消耗所导致的全球环境恶化,使人们加快了对清洁能源的寻找。氢气作为一种清洁的、无任何有害副产物的能源而被越来越多的科学家广泛关注。目前氢气的产生主要是通过煤、石油和天然气的燃烧所得到,燃烧后的产物含有大量的一氧化碳和二氧化碳,从而导致全球气候变暖。电解水制氢因为其合成工艺简单、操作方便等特点越来越成为人们关注的热点。电解水主要分为两个反应:阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)。然而,在电催化反应中,当达到某一特定电流密度的时候,反应中存在的过电位一般比较高,导致了电解水在制氢的过程中消耗大量的电能。贵金属RuO_2、IrO_2和Pt/C是目前最有效的阳极析氧催化剂和阴极析氢催化剂,高成本和含量稀少的缺点使之不能在日常研究中大规模的应用。因此,设计和开发地球储量丰富的替代材料是非常有吸引力的。过渡金属是地球中含量最丰富的材料之一,已经被越来越多的人关注。通过合成价格低廉、具有大比表面积与体积比的纳米结构的过渡金属纳米材料,可以有效的提高特异性位点的活性,从而降低催化剂的负载量;此外,纳米阵列结构通过暴露更多的活性位点来促进电解液和气体的扩散来提高电催化性能,实现了成本低,可大规模应用的高效催化剂的应用。基于以上优点,过渡金属纳米材料阵列也可以通过简单的方法合成复合纳米材料阵列,用于检测生物大分子、小分子、金属离子、抗生素等传感领域。本论文将介绍几种新型过渡金属纳米材料阵列在电催化和传感领域的应用。具体工作如下:(1)发展高效电解水的电催化剂对各种可再生能源技术至关重要。合成了生长在钛网的MnCo_2S_4纳米线阵列(MnCo_2S_4 NA/TM)作为电解水的电催化剂,在1.0 M KOH条件下,MnCo_2S_4 NA/TM电极具有催化活性好,稳定性高的特点。同时,MnCo_2S_4 NA/TM电极在电解水的析氧反应中,当电流密度为50 mA cm~(-2)时,过电位为325 mV。当过电位达到500 mV时,这种催化电极达到一个高转换频率0.81 mol O_2 s~(-1)。这为寻找新能源,解决环境问题找到了一种可行的方法。(2)通过简单的一步水热法合成了生长在泡沫镍上的Co-MOF纳米片阵列(Co-MOF/NF)作为碱性介质中的3D催化剂用于析氧反应。Co-MOF/NF具有优越的活性,并且在1.0 M KOH中达到50 mA cm~(-2)的电流密度时仅需要311 mV的过电位。值得注意的是,此催化剂也展示了很好的长期电化学稳定性至少105小时,当过电位达到400 mV时,催化剂达到一个高转换频率0.18 mol O_2 s~(-1)。(3)合成了生长在钛网的Fe_2P,并将无定型Ni(OH)_2纳米粒子修饰在Fe_2P表面(Ni(OH)_2-Fe_2P/TM)。作为一种用于析氢反应的3D电极,此催化剂Ni(OH)_2-Fe_2P/TM显示了很好的催化活性。Ni(OH)_2-Fe_2P/TM的晶态组成、表面形貌与结构通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等手段对其进行了测定。实验结果表明:当Ni(OH)_2-Fe_2P/TM达到10 mA cm~(-2)的电流密度时,需要的过电位为76 mV,比Fe_2P/TM达到同等电流密度下的过电位小94 mV。(4)发展一条可持续的氨生产路线是化学领域最有吸引力的目标之一。当前的合成氨生产的主要方法是哈伯博世过程,在这个过程中消耗的化石燃料造成了大量的二氧化碳排放。本实验合成了生长在碳布上的VN纳米线阵列(VN/CC)作为一种高性能的催化剂用于酸性介质的氮气还原反应(NRR)。这项工作不仅为我们提供了一种具有吸引力的催化剂来用于酸性介质中的NRR,而且开辟了一条设计和制备过渡金属用于NRR的新道路。(5)合成了一种新型的光电化学复合材料ZnO-CdS@Au,Au纳米粒子和CdS纳米粒子被成功地修饰在比表面积较大的纺锤状ZnO纳米棒上。利用此纳米材料比表面积大的特点,把适体固定在ZnO-CdS@Au表面。通过ZnO-CdS@Au/适体与四环素连接引起的光电信号的变化,实现了对四环素的超灵敏检测。
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1

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