金属二维材料的可控制备及电催化性能研究

发布时间：2020-09-03 11:17

　　 由于二维材料所具有的超大的比表面积与特殊的电子结构恰好满足了高性能异相催化剂对于催化位点密度与活性的要求,二维催化材料成为了二维材料领域中最具发展潜力的研究方向之一。在众多种类的二维催化材料当中,金属二维材料因为金属元素(特别是贵金属元素)在异相催化中不可动摇的重要地位而备受研究者的关注。本论文主要围绕金属二维材料的可控制备、组分与结构优化以及其在催化反应中构效关系的构建等关键问题展开,重点研究了具有不同表面组分、表面结构以及维度的金属二维材料,并对其在燃料电池电极反应中的电催化性能进行了研究。总结全文内容,主要取得了以下研究成果:(1)开发了一种合成方法,可以通过在Pd纳米片上外延生长厚度可控的Pt与PtM(M=Ni,Rh,Ru)合金制备了Pd@Pt与Pd@PtM多金属核壳纳米片。探究了材料生长的微观机制,发现能够获得高质量铂基多金属纳米片的关键在于Pd纳米片与苯甲醇界面催化反应中原位产生的微量CO。在甲醇氧化反应中,Pd@PtNi纳米片因其所具有的片状、核壳、合金等特殊结构特征,表现出了明显优于Pd@Pt纳米片与商业化铂催化剂的催化活性与稳定性。(2)开发了一种通过可控刻蚀调制Pd纳米片分形维度与边沿位点的方法,并从结构与化学上对得到的Pd二维纳米结构中的边沿位点进行研究。在甲酸氧化反应的测试中,经过形貌调控后具有了额外边沿位点的Pd二维纳米结构的催化性能都较刻蚀前得到了显著的提升,说明Pd二维纳米结构中边沿位点具有远超Pd低指数晶面的催化活性。(3)开发了一种能够合成具有以PtM(M=Rh、Ni、Cu、Pd)合金表面的空心核壳纳米环结构的方法。通过探究材料生长的微观机制,揭示出Pd纳米片与苯甲醛界面催化反应中原位产生的大量CO与苯甲酸是形成多金属核壳纳米环结构的关键。在乙醇氧化反应与甲醇氧化反应的测试中,Pd@PtRh纳米环与Pd@PtNi纳米环都分别表现出了超过具有相同表面组分的核壳纳米片与商业化铂碳的催化性能。(4)开发了一种利用冷冻干嗓将Pd纳米片、Rh纳米片等金属二维材料组装成三维气凝胶材料的方法。所得到的气凝胶具有厘米级的尺寸与可以调控的外形,还可以通过添加不同的胶合剂或增强相来调制其表面润湿性与机械性能。在没有强制扩散的条件下进行氧还原电催化测试,具有三维多孔结构的Pd纳米片气凝胶同时作为一种气体扩散电极表现出远超负载在碳布上钯黑与铂黑催化剂的催化性能。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O643.36;TB383.1
【部分图文】：

导的金属键一般被认为不具备方向性［７３￣７４］。所以从晶体学的角度上讲，金属晶体逡逑很难自茭地通过各向异性生长得到低对称的二维晶体结构。同时，裸露金属表面逡逑较大的表面能也在热力学层面上限制了金属二维结构的获得［７５］。尽管有着这些逡逑客观存在的困难，研究者们依然从各种不同的角度找到了相应的破解之法（图逡逑１．１）０逡逑

逦１０＇７邋１ＣＴ６邋１０＇５逦１0４逦１０＇３逡逑Ｉｎｉｔｉａｌ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｒａｔｅ邋（Ｍ－ｓ１）逡逑图１．２具有不同孪晶结构的Ｐｄ纳米晶产率作为前驱体起始还原速率的函数曲线。具有单逡逑晶、多重孪晶、堆垛层错结构的纳米晶原子模型分别用蓝色、灰色和绿色表征，当中的孪逡逑晶面与堆垛缺陷用红线标出［８0］。逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐ邋ｌｏｔ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｐｄ邋ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｗｉｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ａｓ邋ａ逡逑ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．邋Ｔｈｅ邋ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｃｒｙｓｔａｌ，逡逑ｍｕｌｔｉｐｌｙ邋ｔｗｉｎｎｅｄ，邋ａｎｄ邋ｓｔａｃｋｉｎｇ邋ｆａｕｌｔ－ｌｉｎｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ａｒｅ邋ｄｅｎｏｔｅｄ邋ｉｎ邋ｂｌｕｅ，邋ｇｒｅｙ，邋ａｎｄ邋ｇｒｅｅｎ，逡逑ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．邋Ｔｈｅ邋ｔｗｉｎｎｅｄ邋ｐｌａｎｅｓ邋ｏｒ邋ｓｔａｃｋｉｎｇ邋ｆａｕｌｔｓ邋ａｒｅ邋ｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ邋ｉｎ邋ｒｅｄ邋［８０］．逡逑图１．３通过氧化刻蚀方法得到的（ａ）邋Ａｕ与（ｂ）邋Ａｇ三角纳米片的ＴＥＭ图像［８１，８２］。逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋Ａｕ

ｍｕｌｔｉｐｌｙ邋ｔｗｉｎｎｅｄ，邋ａｎｄ邋ｓｔａｃｋｉｎｇ邋ｆａｕｌｔ－ｌｉｎｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ａｒｅ邋ｄｅｎｏｔｅｄ邋ｉｎ邋ｂｌｕｅ，邋ｇｒｅｙ，邋ａｎｄ邋ｇｒｅｅｎ，逡逑ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．邋Ｔｈｅ邋ｔｗｉｎｎｅｄ邋ｐｌａｎｅｓ邋ｏｒ邋ｓｔａｃｋｉｎｇ邋ｆａｕｌｔｓ邋ａｒｅ邋ｄｅｌｉｎｅａｔｅｄ邋ｉｎ邋ｒｅｄ邋［８０］．逡逑图１．３通过氧化刻蚀方法得到的（ａ）邋Ａｕ与（ｂ）邋Ａｇ三角纳米片的ＴＥＭ图像［８１，８２］。逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋Ａｕ，邋ａｎｄ邋（ｂ）邋Ａｇ邋ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ邋ｎａｎｏｐｒｉｓｍｓ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ｏｘｉｄａｔｉｖｅ逡逑ｅｔｃｈｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［８１＊８２＾．逡逑５逡逑

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;聚合物涂覆硅纳米片可望取代石墨稀[J];中国粉体工业;2017年02期

2 郝慧;杨云;;金纳米片的制备[J];化工技术与开发;2018年03期

3 朱景春;;二硫化钼纳米片的制备及其研究进展[J];科学技术创新;2018年07期

4 李俊怡;梁峰;田亮;张海军;;类石墨相氮化碳纳米片的制备研究进展[J];化学通报;2018年05期

5 赵迪;柯瑞林;邹雄;毛琳;胡行兵;王金合;;氮化硼纳米片制备方法研究进展[J];功能材料;2016年12期

6 张震;于翔;刘飞;;产业化制备石墨烯纳米片研究进展[J];新型工业化;2017年01期

7 肖林平;刘敏;周丽萍;赖桂珍;黄锦贵;钟晨晨;;一步法制备单层二硫化钼纳米片[J];广东化工;2016年12期

8 邢国政;靳利娥;解小玲;张康;曹青;;碳纳米片的制备、表征及应用[J];炭素技术;2016年05期

9 邹润秋;秦文静;张强;杨利营;曹焕奇;印寿根;;银纳米片等离子体效应增强有机太阳能电池及其性能优化研究[J];发光学报;2015年07期

10 赵逢焕;;(001)晶面占主导的锐钛矿TiO_2纳米片的制备、表征及光催化性能的研究[J];山东化工;2015年15期

相关会议论文 前10条

1 韩志成;武祥;;生长在泡沫镍基底的炸圈状四氧化三钴纳米片及其较提高的超级电容器性能[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源[C];2016年

2 陆迪灿;倪永红;;多孔磷化钴纳米片的合成及其超电性能[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会：电化学材料[C];2016年

3 丁书江;;纳米片复合材料的设计、制备和锂离子存储性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源[C];2016年

4 张玉倩;张琦;翁丽星;宇文力辉;汪联辉;;量子点-二硫化钼复合纳米片用于癌细胞的靶向荧光成像和光热治疗[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十八分会：纳米生物效应与纳米药物化学[C];2016年

5 梅旭安;梁瑞政;卫敏;;超薄水滑石纳米片作为药物载体的研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十八分会：纳米生物效应与纳米药物化学[C];2016年

6 董宁宁;李源鑫;冯艳艳;张赛锋;张晓艳;范金太;张龙;王俊;;过渡金属硫化物二维纳米片的光限幅特性及其理论模拟[A];上海市激光学会2015年学术年会论文集[C];2015年

7 纪穆为;徐萌;刘佳佳;张加涛;;水相腐蚀法制备超薄二维单晶纳米片[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第五分会：分子与固体化学[C];2016年

8 程裕鑫;吴德峰;姚鑫;丁昆山;周亚楠;;聚乳酸/石墨纳米片复合材料的流变行为[A];第十二届全国流变学学术会议论文集[C];2014年

9 杨晓华;杨化桂;李春忠;;{001}晶面主导的锐钛二氧化钛纳米片的热稳定性研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

10 陈小兰;师赛鸽;黄艺专;陈美;汤少恒;莫世广;郑南峰;;不同表面修饰对钯纳米片活体行为的影响[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第05分会：无机化学[C];2014年

相关重要报纸文章 前10条

1 记者 刘霞;科学家利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂[N];科技日报;2012年

2 本报记者 李波;二维MoS2纳米片研究获突破提振钼业股[N];中国证券报;2013年

3 记者 王延斌 通讯员 隗海燕;高灵敏度“电子皮肤”可以量产了[N];科技日报;2017年

4 冯卫东;新型透明塑料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2007年

5 本报记者 张思玮;让氢来得更高效些吧[N];中国科学报;2019年

6 记者 刘霞;柔性电子材料破碎多次仍可恢复功能[N];科技日报;2016年

7 记者 张晔 通讯员 周伟;又薄又软的半导体新材料可制微纳光电器件[N];科技日报;2019年

8 记者 陈超;“光结构”让水随环境变化自由变色[N];科技日报;2016年

9 记者 李丽 通讯员 梁维源;深圳大学打开癌症治疗新思路[N];深圳特区报;2018年

10 沈英甲;中国成功研发全球首类烯合金材料[N];中国有色金属报;2014年

相关博士学位论文 前10条

1 杨雪;三维钼、钨氧化物负极材料的构筑及其储锂性能研究[D];武汉理工大学;2018年

2 杨帆;层状锰基富锂正极材料的合成及其电化学性能优化[D];武汉大学;2017年

3 董宇辉;基于溶液工艺的低维半导体光电探测器构筑及其性能研究[D];南京理工大学;2018年

4 许晨敏;水中典型全氟化合物（PFCs）的吸附及光催化降解研究[D];南京理工大学;2018年

5 贾丹丹;二维镍基纳米材料的合成与组装及其催化性能研究[D];北京科技大学;2019年

6 孙潇;低维BiOCl晶面调控及其与Bi_2O_2CO_3复合对光催化性能的影响[D];安徽大学;2019年

7 姜一;贵金属纳米晶与二维复合材料的制备及其电催化性能的研究[D];浙江大学;2019年

8 颜聿聪;金属二维材料的可控制备及电催化性能研究[D];浙江大学;2019年

9 张红伟;层状过渡金属化合物的物性研究[D];中国科学技术大学;2018年

10 韩娜;基于金属纳米材料的电化学二氧化碳转化体系的研究[D];苏州大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 张汉强;石墨相氮化碳纳米片复合材料的制备及其在传感器中的应用[D];闽南师范大学;2015年

2 肖良平;贵金属/二维纳米片复合材料的制备与性能研究[D];厦门大学;2017年

3 周重阳;介孔CuO纳米片的制备、表征及其催化氧化CO性能研究[D];武汉理工大学;2018年

4 李扬帆;g-C_3N_4/BiOBr复合材料的制备及光催化性能研究[D];武汉理工大学;2018年

5 刘佳佳;化学气相沉积法制备二硫化钼纳米片及其催化性能的研究[D];武汉理工大学;2018年

6 欧道辉;超薄氮化硼纳米片的制备及其散热应用[D];厦门大学;2018年

7 赵灿;基于层状双金属氢氧化物制备的二维材料及其应用[D];天津大学;2018年

8 范春阳;软模板剂辅助合成不同形貌的多级孔ZSM-5分子筛[D];天津大学;2018年

9 钱佳慧;层状过渡金属硒化物及其复合物的制备与电催化析氢性能的研究[D];天津大学;2018年

10 韩希玲;Ni/NiO异质纳米片的合成及光辅助电解水性能[D];天津大学;2018年

本文编号：2811356