电催化体系新型纳米电极的设计和应用
发布时间：2020-12-06 13:24
电催化技术因其高效、环保、易操控实施而受到能源和环境领域的广泛关注。电催化体系既能够完成清洁能源的转换与存储,又可以实现水污染的控制与处理,并能与光催化等体系进行耦合协同,故而拥有广阔的应用前景。但如何筛选合适的电极材料,并通过尺寸、形貌和表面结构的设计来提升其电催化性能,仍是当前电催化领域的研究热点和难题。针对这一问题,本文采用简单易行的溶液法,精准调控出特定的贵金属铂（Pt）和过渡金属氧化物二氧化钛（TiO2）纳米材料,将其应用于电催化产能和有机物去除,并深入探究其内在机制。针对电催化氧还原反应,从商业化Pt纳米多面体单晶电极出发,从尺寸和晶面调控角度讨论其成核与生长机理,并扩展至TiO2纳米多面体单晶电极,结合晶面调控、缺陷掺杂、基底复合等对其进行综合改性,证明其存在两电子产H2O2过程以及具有电化学检测痕量双酚A（BPA）的潜能;同时构建基于商业化碳毡（CF）电极的原位有机芬顿体系来协同电催化降解苯酚,并对其降解机理提出新的认识。本文的主要研究内容和成果如下:1.实现了亚5nm超小型Pt多面体单晶的可控合成。针对商业化Pt/C粒径、形貌不均一的问题,采用多元醇高温还原法,选择氯...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＯＲＲ反应动力学历程（Ｗｒｏｂｌｏｗａ法表示）｜５６］
?第１章绪论???ＨＯ！＇?〇，Ｈ?＾ｒＨ２０＆Ｃ０２??Ｈｊｆ＇０?ｋ＿ｙ°＼?Ｐ｝〇Ｈ??－－＾ｉ＾?＼＼＼?Ｍｅｔａｔ－ｆｒｅｅ?Ｐｅｒｒｔｏｎ－ｌｉｋｅ?Ｓｙｓｔｅｍ??图１．３非金属中心原位有机芬顿体系［７５］。??１．３．３电化学传感??电化学分析法通过测定反应物电化学性质变化对其进行定量分析，可能存在??电富集效应，可进一步提高信号强度ｍｉ。相比色谱法、分光光度法、酶联免疫分??析法，电化学分析法设备简单、操作方便、快捷高效、具有小型化推广潜能。但??对化学性质相近的物质，该检测方法的定性和定量相对来说较难，尤其是对相近??的反应超电势，会出现多重反应同步进行且相互干扰，从而使得检测失去选择性。??为解决上述难题，可采用与其它高选择性的技术进行联用，如分子印迹技术，同??时提高信号响应［７８］。电化学传感技术的核心是电极材料，主要有金属、金属氧化??物和碳基非金属１７９］。自１９７２年Ｆｕｊｉｓｈｉｎｉａ和Ｈｏｎｄａ发现Ｔｉ０２的紫外光响应催化电解??水现象，Ｔｉ０２纳米材料在传感器中研究甚广，因其无毒性、生物兼容、抗光蚀特??点，可用于气体传感、化学需氧量（ＣＯＤ）光传感和生物传感等＠１。其中，气体??传感器可用于检测Ｈ２、０２、ＣＯ、Ｈ２０和ＶＯＣｓ等多种气体，但工作温度较高、恢??复时间长，通过探索ＴｉＣｂ新形貌、与贵金属和其它半导体复合可改善其性能。ＣＯＤ??传感器通过光催化作用检测水中溶解有机质。结合上述工作，通过修饰的纳米颗??粒的表面组成，可得到高选择性的目标成键，可用于电化学检测水中污染物。??１．４存在问题和改性策略??１．４．１存在问题??目前电催化技术的电流效
?第１章绪论???体双锥，由八个丨１０１丨面和２个｛００１｝面组成｜１１Ｑ］。??Ｃ?Ｕｇ，?ｃｒｉｔｉｃａｌ?ｌｉｍｉｔｉｎｇ?ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｊｏｎ??Ｉ?义－？…—．??１?ｃ，?＼?＾??Ｔ?ｆ?１?ｓｉｉｉｉｉｔｙ??／：＊?：?？：；？?Ｉ??／?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?；?ｓ？ｌｆ－?］??／?ｏｆ?ａｔｏｍｓ?；?ｎｗｃｔｅａｔｉｏｎ?ｉ??Ｔｔｒｎｅ??？??图１．５多元醇还原合成中Ｐｔ原子浓度随时间变化图［１呀。??１．４．?４尺寸和晶面调控??Ｐｔ晶体的电催化活性不仅取决于其比表面积，更与其表面的原子结构或排??布密切有关。前人工作表明通过减小尺寸，可提高其比表面积。Ｐｔ纳米颗粒不同??晶面对各个物种的吸附和脱附能力不同，Ｓｔａｍｅｎｋｏｖｉｃ等发现在非吸附性ＨＣｌ〇４??电解液中，由于表面结构与〇２之间相互作用减弱，其对－ＯＨ吸附能力增强，导??致ＯＲＲ活性顺序为丨１００｝面＞｛１１１丨面＞｛１１０｝面；而在吸附性Ｈ２Ｓ〇４电解液中，??晶面吸附与Ｓ０４２？的抑制作用，导致ＯＲＲ活性顺序为｛１１１丨面＜｛１００｝面＜｛１１０｝??面丨２｜］。??Ｐｔ具有／＾晶体结构，且由于其高内应变能和存在氧化刻蚀，很少能形成孪??晶结构。图１．６显示了常见Ｐｔ立方体、八面体、四面体及其对应的截角、过生长??和多枝结构，通过调控封端剂、溶剂极性（水相／多元醇／油胺）即可实现［１１｜］。在??水相中，由于还原较慢，调控可得到八面体；而多元醇具有高沸点、溶于水、溶??解极性物质能力强的优点，且沸点、黏度、相对密度和熔点等随分子量增加而增??力口，油胺可同时作为还原剂、溶剂和胶体稳定剂，在多元
本文编号：2901448
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：110 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２?ＯＲＲ反应动力学历程（Ｗｒｏｂｌｏｗａ法表示）｜５６］
?第１章绪论???ＨＯ！＇?〇，Ｈ?＾ｒＨ２０＆Ｃ０２??Ｈｊｆ＇０?ｋ＿ｙ°＼?Ｐ｝〇Ｈ??－－＾ｉ＾?＼＼＼?Ｍｅｔａｔ－ｆｒｅｅ?Ｐｅｒｒｔｏｎ－ｌｉｋｅ?Ｓｙｓｔｅｍ??图１．３非金属中心原位有机芬顿体系［７５］。??１．３．３电化学传感??电化学分析法通过测定反应物电化学性质变化对其进行定量分析，可能存在??电富集效应，可进一步提高信号强度ｍｉ。相比色谱法、分光光度法、酶联免疫分??析法，电化学分析法设备简单、操作方便、快捷高效、具有小型化推广潜能。但??对化学性质相近的物质，该检测方法的定性和定量相对来说较难，尤其是对相近??的反应超电势，会出现多重反应同步进行且相互干扰，从而使得检测失去选择性。??为解决上述难题，可采用与其它高选择性的技术进行联用，如分子印迹技术，同??时提高信号响应［７８］。电化学传感技术的核心是电极材料，主要有金属、金属氧化??物和碳基非金属１７９］。自１９７２年Ｆｕｊｉｓｈｉｎｉａ和Ｈｏｎｄａ发现Ｔｉ０２的紫外光响应催化电解??水现象，Ｔｉ０２纳米材料在传感器中研究甚广，因其无毒性、生物兼容、抗光蚀特??点，可用于气体传感、化学需氧量（ＣＯＤ）光传感和生物传感等＠１。其中，气体??传感器可用于检测Ｈ２、０２、ＣＯ、Ｈ２０和ＶＯＣｓ等多种气体，但工作温度较高、恢??复时间长，通过探索ＴｉＣｂ新形貌、与贵金属和其它半导体复合可改善其性能。ＣＯＤ??传感器通过光催化作用检测水中溶解有机质。结合上述工作，通过修饰的纳米颗??粒的表面组成，可得到高选择性的目标成键，可用于电化学检测水中污染物。??１．４存在问题和改性策略??１．４．１存在问题??目前电催化技术的电流效
?第１章绪论???体双锥，由八个丨１０１丨面和２个｛００１｝面组成｜１１Ｑ］。??Ｃ?Ｕｇ，?ｃｒｉｔｉｃａｌ?ｌｉｍｉｔｉｎｇ?ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｊｏｎ??Ｉ?义－？…—．??１?ｃ，?＼?＾??Ｔ?ｆ?１?ｓｉｉｉｉｉｔｙ??／：＊?：?？：；？?Ｉ??／?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ?；?ｓ？ｌｆ－?］??／?ｏｆ?ａｔｏｍｓ?；?ｎｗｃｔｅａｔｉｏｎ?ｉ??Ｔｔｒｎｅ??？??图１．５多元醇还原合成中Ｐｔ原子浓度随时间变化图［１呀。??１．４．?４尺寸和晶面调控??Ｐｔ晶体的电催化活性不仅取决于其比表面积，更与其表面的原子结构或排??布密切有关。前人工作表明通过减小尺寸，可提高其比表面积。Ｐｔ纳米颗粒不同??晶面对各个物种的吸附和脱附能力不同，Ｓｔａｍｅｎｋｏｖｉｃ等发现在非吸附性ＨＣｌ〇４??电解液中，由于表面结构与〇２之间相互作用减弱，其对－ＯＨ吸附能力增强，导??致ＯＲＲ活性顺序为丨１００｝面＞｛１１１丨面＞｛１１０｝面；而在吸附性Ｈ２Ｓ〇４电解液中，??晶面吸附与Ｓ０４２？的抑制作用，导致ＯＲＲ活性顺序为｛１１１丨面＜｛１００｝面＜｛１１０｝??面丨２｜］。??Ｐｔ具有／＾晶体结构，且由于其高内应变能和存在氧化刻蚀，很少能形成孪??晶结构。图１．６显示了常见Ｐｔ立方体、八面体、四面体及其对应的截角、过生长??和多枝结构，通过调控封端剂、溶剂极性（水相／多元醇／油胺）即可实现［１１｜］。在??水相中，由于还原较慢，调控可得到八面体；而多元醇具有高沸点、溶于水、溶??解极性物质能力强的优点，且沸点、黏度、相对密度和熔点等随分子量增加而增??力口，油胺可同时作为还原剂、溶剂和胶体稳定剂，在多元
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