贵金属复合纳米材料的高压水热合成与性能研究

发布时间：2020-05-25 01:04

【摘要】：随着现代社会的高速发展和能源的消耗日益增大,人类赖以生存的化石燃料(石油、煤)不仅在消耗过程中产生大量的有害气体,还存在不可再生等问题。相对于太阳能、潮汐能和风能等清洁能源,氢能由于其原料易得、制取可控、便于储存运输、利用率高、污染为零等优势崭露头角。在电解水产氢过程中,催化剂(尤其是贵金属催化剂)能够有效降低产氢反应的能垒。贵金属铂是现如今公认的产氢催化性能最佳的一种金属,然而其昂贵价格和紧缺存量限制了其广泛应用,减少催化剂中铂的使用和提高其催化性能成为了科研工作者亟待解决的科学问题。本论文制备了Au@Pd@Pt二十面体纳米粒子并对其催化产氢性能进行了研究,同时也利用高压水热反应釜制备了Au-Pt合金十面体纳米粒子,为新型Pt基复合材料的开发提供了思路。本论文取得的研究成果如下:1.用种子生长法制备了不同Pt亚单层数的Au@Pd@Pt二十面体纳米粒子(Au@Pd@Pt_(n ML))。以Au@Pd二十面体纳米粒子作为种子,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为包裹剂、抗坏血酸(AA)为还原剂,利用流量注射泵缓慢注入不同浓度的Na_2PtCl_6前驱体溶液,分别制备了Au@Pd@Pt_(0.3 ML),Au@Pd@Pt_(0.5 ML),Au@Pd@Pt_(0.7 ML)和Au@Pd@Pt_(1.0 ML)四种二十面体纳米粒子。同时我们还对这四种不同材料和商业铂黑的电催化产氢性能进行了研究,结果发现Au@Pd@Pt_(0.5 ML)纳米材料的电流密度最佳,其质量活性也约为Pt黑的两倍,电化学耐受性测试发现其稳定性也比商业铂黑更优异。研究表明,Au@Pd@Pt_(0.5 ML)纳米材料是很好的产氢催化材料。2.用高压水热反应釜制备了Au-Pt合金十面体纳米粒子。以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为包裹剂和稳定剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为还原剂,HAuCl_4和EDTA络合的H_2PtCl_6溶液(EDTA-Pt)为前驱体溶液在高温高压下进行反应。通过改变CTAC加入量、PVP加入量、EDTA-Pt加入体积、温度等条件能够实现金铂纳米粒子尺寸与形貌的可控。同时我们也对不同时间下纳米粒子的形貌进行了考察,对纳米粒子形成机理进行了初步的研究。
【图文】：

贵金属,纳米结构,界面组元

图 1-1 不同形貌的 1D、2D 和 3D 贵金属纳米结构[5]。Fig. 1-1 Nonspherical 1D, 2D, and 3D noble metallic nanostructures[5]..1.3 纳米材料的特性纳米粒子的尺寸大小处于原子尺寸和微粒尺寸大小之间，属于典型的过渡领域的界系统。它结构上是由材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界两种组元构成的。纳米体相对于块体材料晶粒尺寸极小，界面组元在整个材料中所占的比例变得极大，晶界陷（如孪晶、层错、位错）所占的体积比也是相当大的[9]。纳米材料的表面电子结构晶体结构往往出现差异，因此具有一系列新异的物理、化学特性。.1.3.1 小尺寸效应小尺寸效应也可以看成为体积效应。块体金属的能带是连续的，而纳米材料的能带是分裂的。当粒子尺寸下降到某一极限值时，能隙急剧变宽，导致了量子尺寸效应。[10]

核壳结构,合金结构,双金属,异质结构

图 1-2 （a）核壳结构、（b）异质结构和（c）合金结构等双金属纳米材料的结构图[44]。Fig. 1-2 Bimetallic NCs with different structures of (a) core/shell, (b) heterostructure and (c) alloyedstructure[44].（i）核壳结构核壳结构双金属纳米材料可以根据不同的性能设计要求选用不同的两种贵金属分别作为内核（M）和外壳（N）来实现贵金属纳米材料的双功能化，以典型的 M@N 表示其组成。双金属核壳结构同材料的性能结合起来，将在新型催化剂研发、药物可控释放、半导体开发、化学传感器研制以及磁性材料的研发等方面都有着潜在应用。核壳结构的纳米粒子主要是利用做为种子或者模板的金属 M 上的异质成核位点，通过化学还原或者热力学沉积使 N 的前驱体以原子的形态生长上去。由于操作更加可控，，种子法对于合成一定壳厚度（包括单层原子）的核壳纳米晶体是十分有效的。大多数关于核壳结构合成和应用的文献都是关于壳厚度超过六原子层（或者 1.5 nm）的，这些纳米材料
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】