双金属凝胶的制备及催化性能研究

发布时间：2020-11-19 15:32

　　 金属凝胶的制备是以金属纳米晶作为结构单元,通过加入强还原剂还原金属前驱物,然后自组装制备形成三维网状结构的水凝胶,再通过超临界二氧化碳干燥的方法可以制备金属气凝胶。此种制备方法在克服纳米晶间团聚的同时,使金属凝胶存在极高的孔隙率,因此它具有极大的比表面积、超低的密度、优良的导电性和导热性。金属凝胶的高表面积为吸附和光催化提供了足够的活性位点,高孔隙率有助于液体和气体物质的大量输送。而金属凝胶的三维网状结构有利于介质在材料内部快速转移和电子传输。因此,凭借着金属凝胶特有的结构特点,不同组分和类型的金属凝胶已经被广泛应用于催化和传感领域。本文以双金属凝胶为研究对象,以硼氢化钠作为还原剂,无任何封端剂,在不引入其它配体的前提下,通过调控金属前驱物组成和比例,制备了不同形貌和组成成分的钯镍金属气凝胶和金铂金属水凝胶,利用金属凝胶大的孔隙率、表面积和更多的活性位点,使其易于介质的传输和电子转移,并充分发挥双金属的协同效应,实现了其在电催化和过氧化物模拟酶方面的应用。研究内容主要分为以下几部分:(1)采用硼氢化钠作为强还原剂,在不添加其他配体保护的前提下,还原钯和镍的金属前驱物,通过简便的一步还原方法,在60℃静置保温3个小时后,成功合成了比例可控的Pd_xNi双金属合金水凝胶,利用超临界二氧化碳干燥后,制备了三维网状结构的Pd_xNi双金属合金气凝胶。制备的金属气凝胶由4 nm的类球形金属纳米晶交联而成三维网状结构。通过高分辨率的透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)等对材料进行了表征,证明了制备的金属气凝胶是由钯镍合金组成。研究了Pd_xNi双金属合金气凝胶在HClO_4溶液中的氧还原反应(ORR)性能,其中Pd_5Ni金属气凝胶展现了优异的ORR性能和化学稳定性,此电催化剂是4电子转移过程。与此同时,Pd_5Ni气凝胶在乙醇氧化反应中也表现出优异的性能。Pd_5Ni合金气凝胶的质量活性为4.30 A/mg,比商用Pd/C催化剂高5.5倍,从而证明制备的Pd_5Ni合金气凝胶作为燃料电池的阴极和阳极反应的催化剂方面有巨大的潜能。(2)以HAuCl_4和K_2PtCl_4为金属前驱体,以硼氢化钠为还原剂,一锅法制备了AuPt_x双金属水凝胶,利用其作为过氧化物模拟酶,催化H_2O_2氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)产生显色反应。AuPt_x双金属水凝胶作为过氧化物模拟酶具有相对较低的成本和稳定性好等优点。通过透射电镜(TEM)对材料进行了表征,发现AuPt_x双金属水凝胶是三维网状结构,拥有很大比表面积和很多活性位点。系统研究了pH值、温度和AuPt_x双金属水凝胶浓度等条件对过氧化物模拟酶活性的影响,AuPt_x双金属水凝胶作为过氧化物模拟酶具有较低的检测限,其线性检测范围在0.4 mM-12 mM间。为利用金属凝胶作为模拟酶实现过氧化氢的简单、灵敏和快速检测提供了数据支撑。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ427.26;TG115
【部分图文】：

图 1 燃料电池机理图Figure.1 Fuel cell mechanism diagram料电池电池（PEMFC）是一种以氢气或甲醇等为燃料燃料电池（PEMFC）具有在室温下快速启动，

图 2AuPtx水凝胶作为模拟酶检测 H2O2机理图Fig.2 Schematic diagram of detection of H2O2byAuPtxhydrogel as simulated enzymetx水凝胶作为模拟酶加速了 H2O2对 TMB 的氧化，氧化态的 TMB个体系显蓝色。因此，可以根据颜色变化以及结合紫外可见吸收光的检测。配置 0.4 mM、0.6 mM、0.8 mM、1.0 mM、2.0 mM、4.0 mM

双金属气凝胶的制备示意图；（B）Pd5Ni 水凝胶的光学照片；（C）Pd5Ni 水凝电镜照片；（D）Pd5Ni 水凝胶的纳米晶的尺寸分布柱状图。atic diagram of preparation of PdxNi bimetallic aerogel; (B) optical photograph of Pctron micrograph of Pd5Ni hydrogel; (D) size of nanocrystal of Pd5Ni hydrogel Distr制备的 Pd5Ni 双金属气凝胶的不同放大倍数的透射电镜照片
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本文编号：2890171