磁控溅射制备碳包覆金属纳米粒子及氧还原反应催化和摩擦性能研究
发布时间：2020-08-13 06:25
【摘要】：碳包覆金属纳米粒子作为一种新型的功能复合材料,不仅可以保护内部金属粒子不发生物理和化学变化,还可以赋予材料新的性能,使其在催化、能量转换和存储、生物医学以及摩擦材料等领域有广泛的应用前景。因此,碳包覆金属纳米粒子的制备及其应用研究引起了广泛的关注。本文采用磁控溅射方法通过调控沉积温度使碳原子通过原位自组装过程生长成石墨壳从而获得碳包覆金属纳米粒子薄膜;研究了碳包覆金属纳米粒子的氧还原反应催化性能及催化机理;并探究了碳包覆金属纳米粒子的摩擦性能。在探索碳包覆金属纳米粒子的可控合成及氧还原反应催化性能优化方面,先调节Ar和N_2气体流量比制得N含量不同的氮掺杂碳薄膜(CN),随后调节Cu靶的溅射电流制备不同Cu含量的CuCN薄膜,然后对所制备薄膜催化剂进行氧还原反应催化性能表征并筛选和优化出获得高催化性能的制备工艺。最后调节沉积温度发现控制沉积温度可以实现碳包覆金属纳米粒子的可控合成,在沉积温度为650?C时形成了典型的少层N掺杂洋葱碳包覆Cu纳米粒子结构;而沉积温度增加到750?C时,N掺杂洋葱碳壳厚度增加。通过线性扫描伏安法测试发现沉积温度为650?C时CuCN-650?C催化剂具有最佳的氧还原催化活性,表现出接近商业Pt/C催化剂的开启电势、半波电势和电子转移数,以及优于商业Pt/C催化剂的稳定性及耐甲醇性。结合X射线光电子能谱及密度泛函理论计算,CuCN-650?C催化剂具有最高的吡啶N含量,且内部的Cu纳米粒子能转移电子给外部的N掺杂洋葱碳壳,增强氧还原过程中对O_2的吸附能。CuCN-650?C催化剂氧还原催化性能的提高主要是由于其高的吡啶N含量,增强的导电性及被包覆的Cu纳米粒子与N掺杂洋葱碳壳的协同效应。而Cu纳米粒子与N掺杂洋葱碳壳的协同效应会受到N掺杂石墨壳的厚度的限制。在成功制备N掺杂洋葱碳包覆Cu纳米粒子结构的基础上,我们优化溅射过程中的沉积参数制备了Ag@C、Cu@C和Co@C三种核壳结构薄膜。三种薄膜均具有洋葱碳包覆金属纳米粒子结构,且展现出了较低的摩擦系数和优异的摩擦性能。结合磨痕表面的Raman图谱可知,磨痕处生成了晶化程度更高的石墨摩擦膜。在摩擦过程中,由于薄膜中特殊的碳包覆金属纳米粒子与摩擦表面的不充分接触,以及生成的石墨摩擦膜的低剪切应力,有效的减少了表面的磨损情况。此外,三种碳包覆金属纳米粒子薄膜在油介质环境下也都展现出了优异的摩擦性能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O643.36
【图文】：
石墨烯[18]，碳的同素异形体及碳纳米材料的合。与其它无机材料相比，碳材料具有优良的导性及生物相容性等。因此，碳材料在许多领域剂载体[19]、电极材料[20, 21]、锂电池负极材料[2基材料与其它材料复合可能会结合两种材料的的性能及应用。纳米粒子是一种新型的核壳结构纳米复合材料纳米粒子，外壳层由数层石墨碳层或无定形993 年，Ruoff 等[27]首次报道了在电弧放电法制核壳结构的 LaC2@C 颗粒，从而拉开了关于碳备和性能研究的序幕。1998 年，Harris 等[28]利o@C 复合材料，使碳包覆金属纳米粒子真正引
图 1.2 电弧放电装置示意图。Fig. 1.2 The schematic diagram of arc discharge device.在电弧放电实验中，通过改变放电环境，电极形状、数量、材质、放电方式等可以提高产物的产率、石墨化程度或制备新型的碳纳米材料。此外，电弧放电法制备的碳包覆金属纳米粒子的形态和结构与被包覆的元素的种类有关。通常情况下，Fe、Co、Ni 等元素对碳壳的形成及石墨化有催化作用，且这些元素能以金属单质的形式被包覆；但有时被包裹的物质为 Fe、Co、Ni 的碳化物[37-39]。Liu等[40]通过交流电弧放电法，在 N2条件下，合成了碳包覆 Co 和 Ni 纳米粒子核壳结构，其产率超过 80 %，且产物展现出优异的磁学性质。Bai 等[41]采用直流电弧放电方法，在惰性气氛条件下制备了 Cu@C，产物粒度相对比较均匀且分散性良好。电弧放电法制备的碳包覆金属纳米粒子，碳壳层及金属核的晶化程度比较高，粒径分布均匀，产量大。但电弧放电过程的温度过高（4000 K），反应过程较为
也可以用于碳包覆金属纳米粒子的合成。CVD 实验装置示意图如图1.3 所示。CVD 法的基本原理是在反应室中，纳米金属颗粒均匀的分散在基板上，挥发性的碳源在一定温度下被金属颗粒催化热解，进行化学反应转变成固态不挥发的碳纳米材料，沉积在衬底表面，常用的催化剂有 Fe、Co、Ni 和 Cu 等。其中，实验过程中的反应温度、反应时间、反应室内的压力、气体成分和比例以及催化剂的种类等均是影响产物结构和性质的关键实验参数。图 1.3 化学气相沉积法装置示意图。Fig. 1.3 The schematic diagram of the chemical vapor deposition device.
本文编号：2791647
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O643.36
【图文】：
石墨烯[18]，碳的同素异形体及碳纳米材料的合。与其它无机材料相比，碳材料具有优良的导性及生物相容性等。因此，碳材料在许多领域剂载体[19]、电极材料[20, 21]、锂电池负极材料[2基材料与其它材料复合可能会结合两种材料的的性能及应用。纳米粒子是一种新型的核壳结构纳米复合材料纳米粒子，外壳层由数层石墨碳层或无定形993 年，Ruoff 等[27]首次报道了在电弧放电法制核壳结构的 LaC2@C 颗粒，从而拉开了关于碳备和性能研究的序幕。1998 年，Harris 等[28]利o@C 复合材料，使碳包覆金属纳米粒子真正引
图 1.2 电弧放电装置示意图。Fig. 1.2 The schematic diagram of arc discharge device.在电弧放电实验中，通过改变放电环境，电极形状、数量、材质、放电方式等可以提高产物的产率、石墨化程度或制备新型的碳纳米材料。此外，电弧放电法制备的碳包覆金属纳米粒子的形态和结构与被包覆的元素的种类有关。通常情况下，Fe、Co、Ni 等元素对碳壳的形成及石墨化有催化作用，且这些元素能以金属单质的形式被包覆；但有时被包裹的物质为 Fe、Co、Ni 的碳化物[37-39]。Liu等[40]通过交流电弧放电法，在 N2条件下，合成了碳包覆 Co 和 Ni 纳米粒子核壳结构，其产率超过 80 %，且产物展现出优异的磁学性质。Bai 等[41]采用直流电弧放电方法，在惰性气氛条件下制备了 Cu@C，产物粒度相对比较均匀且分散性良好。电弧放电法制备的碳包覆金属纳米粒子，碳壳层及金属核的晶化程度比较高，粒径分布均匀，产量大。但电弧放电过程的温度过高（4000 K），反应过程较为
也可以用于碳包覆金属纳米粒子的合成。CVD 实验装置示意图如图1.3 所示。CVD 法的基本原理是在反应室中，纳米金属颗粒均匀的分散在基板上，挥发性的碳源在一定温度下被金属颗粒催化热解，进行化学反应转变成固态不挥发的碳纳米材料，沉积在衬底表面，常用的催化剂有 Fe、Co、Ni 和 Cu 等。其中，实验过程中的反应温度、反应时间、反应室内的压力、气体成分和比例以及催化剂的种类等均是影响产物结构和性质的关键实验参数。图 1.3 化学气相沉积法装置示意图。Fig. 1.3 The schematic diagram of the chemical vapor deposition device.
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 李晓杰;罗宁;欧阳欣;闫鸿浩;王小红;;合成碳包覆纳米金属材料的研究现状[J];材料导报;2009年13期
本文编号：2791647
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